烟台市同利自动化仪表设备有限公司 山东省烟台市 264006
摘要：本文介绍用一种具备MODBUS（TCP）通讯功能的小型控制系统在工业组网中的实际应用。由于单套控制点位较小，多使用于小型生产设备或单套的化工生产釜安全联锁装置。随着现代工业安全理念的进步，工厂需要采集并监控厂区内每套生产设备的运行状态，用于监管每套设备的运行状况、提高生产工艺、预警危险参数等作用。具备MODBUS（TCP）通讯功能的小型控制系统可以分散布置在厂区内生产设备附近，单套控制系统采集生产过程中的关键温度、压力、流量、液位等信息，根据工艺编译报警及紧急停车等预案程序。多套小型控制系统通过TCP网络与中控室计算机实现通讯，上位机中组态软件实现数据记录、存储，历史报表、曲线等人机界面功能。
关键词：MODBUS（TCP）；小型控制系统；生产安全联锁装置
各个行业类型的工厂都不是单独一个系统实现生产的，有的是各个功能车间连续生产，有的是多个产品种类车间各自独立生产的。最基本的工厂生产功能也分为公用工程、原料仓库或罐区、生产车间、成品仓库等设施。各工段根据工艺需要采用多套控制系统实现各自的控制要求，工厂对于多套生产设备分散在厂区各个角落的情况，线缆敷设较复杂。对于厂区较大，监控点较分散的工况，迫切需要实现一种能在厂内局域网使用的TCP网络通讯控制系统。
对于厂内已经实现局域网布线，办公上网、视频监控等应用设备已经分布于厂区内各个角落，而我们的生产设备属于单套设备独立控制，要求利用现有办公或视频监控网络实现工业生产设备状态的采集。厂区内各个角落通过光纤实现高速TCP网络，比较普及且稳定的TCP通讯已经实现100M的带宽传输，近几年更有千兆设备不断更新出现在厂级通讯网络中。工业控制系统所使用的传输及连接方式如果都能具备MODBUS（TCP）通讯协议，可以实现多个品牌、多套控制系统之间的数据交换及联网监控。后面介绍一下多套化工生产釜安全联锁装置的控制系统通过MODBUS（TCP）通讯进行组网。
1 化工生产釜安全联锁装置
精细化工领域的化工厂一般都具备多种产品，每种产品的生产设备控制系统较小，各化工生产釜之间关联较少。具备MODBUS（TCP）通讯功能的小型控制系统可以分散布置在厂区内生产设备附近，单套控制系统采集生产过程中的关键温度、压力、流量、液位等信息，根据工艺编译报警及紧急停车等预案程序。多套小型控制系统通过TCP网络与中控室计算机实现通讯，上位机中组态软件实现数据记录、存储，历史报表、曲线等人机界面功能。
单套具备MODBUS（TCP）通讯功能的小型控制系统实现了化工生产釜安全联锁功能：
1.1装置附近安装急停、复位、放料屏蔽按钮。当按下急停按钮时，切断蒸汽升温阀并打开冷却水阀；当按下复位按钮时，复位控制系统故障保护自锁；当按下放料按钮时，屏蔽液位下限报警功能。
1.2当生产釜内温度高高限、压力高高限、液位低低限、中控制室急停、现场急停，关闭蒸汽切断阀；当以上条件恢复正常后，按下现场复位按钮恢复正常。
1.3当检测到循环水及冷冻水压力不足时，停止加热，关闭蒸汽阀，通过声光报警提醒操作人员检查工况。
1.4当检测到液位上上限时，自动关闭进料阀门。
1.5当安装在装置附近的可燃气体或有毒气体探测器检测到危险物料泄露时，关闭蒸汽加热阀，关闭进料阀出料阀，打开排空阀。
2关键电器件的选择
现场柜体使用防爆控制柜，防爆等级达到EXdIICT4，柜内CPU及IO模块易选用低发热量低功耗且具备MODBUS（TCP）通讯功能的品牌，经过调研，项目最终选用了研华可编程序控制器ADAM5510EKW和相关的输入输出模块。由于是防爆区域使用，所以在模拟量输入输出回路中，加装了防爆安全栅，现场温度、压力、液位等变送器也选用了隔爆型，防爆等级不低于EXdIICT4，这样增加了系统的安全可靠型。
数字量输入输出回路增加了施耐德继电器板，DC24V电源使用了两路，一路给柜内CPU及模块供电，另一路给外部仪表变送器供电，避免了信号干扰，同时预防外部电源短路造成系统瘫痪。触摸屏前面板封闭于防爆玻璃内部，操作时通过防爆轨迹球或防爆触摸板进行操作。柜体顶部安装有防爆声光报警器，报警时闪烁光源并发出90分贝以上的警报音，提醒操作人员查看设备排除故障。
中控室与两个车间之间线缆距离大于100米，所以通讯线缆使用了单模光纤，外护套防腐。为了预防光纤损坏，建议使用多芯（4芯或6芯）光纤。光纤终端盒、尾纤、工业交换机分别安装在中控室和车间内防爆箱里，严格按照防爆标准施工。需要注意的是，由于防爆箱内空气密闭，散热性不良，选用交换机时建议使用铁壳工业交换机，项目中使用的是研华EKI-3525小型工业交换机。
中控室内设置4台研华工业计算机610H型，4台主机互为备用，通过网络实现数据共享，组态软件选用了北京亚控公司的组态王，画面美观，操作人性化，具备实时显示、数据报表、实时曲线、历史曲线等功能。
3控制线路设计及网络链接
为了保证光纤网络的可靠性，中控室至车间分别敷设两条多组光纤，当上位机中的组态软件显示通讯故障时，能够应急使用备用线路。同时两车间交换机之间敷设网线连接，增加网络级联等级，备用环形网络连接，提高网络通讯的可靠性。
现场线路按照防爆要求，使用桥架敷设至设备附近，再使用镀锌钢管、防爆穿线盒、防爆挠性管等管件连接检测仪表和执行机构设备。
其中温度传感器芯体使用PT100热电阻，为了避免线路中的阻值影响温度显示精度，使用防爆型温变一体化变送器，信号线缆使用两线制并行屏蔽线传输4~20mA模拟量信号。
压力和液位的控制信号也以4-20mA模拟量信号传输，电流信号的穿透性好，抗干扰能力强，信号线同样使用两线制并行屏蔽线。
4程序设计要点
工业控制程序软件设计要点是以稳定可靠为基础的，投入生产使用前，需要程序设计员反复验证，通过第三方根据用户需求进行逐项检验，查找BUG及漏洞。组态画面要求简洁易操作，CPU执行程序算法精简，充分考虑多种工况下的实用型。
具体编译程序时一定要注意使用CPU的命令格式，数据变量的类型及转换关系，模拟量比较时一定要同类型比较，float\word\short\ushort\long，开关量比对时要注意变量的长度要一致，bit\byte\BCD等要一直。
上位机组态软件与现场触摸屏画面标识清晰，控制值修改权限区分操作等级，软件具备历史曲线和历史报表功能，存储时长大于100日，方便用户分析产能及制定优化工艺。软件具备扩展功能，方便后期增加数据量控制点。
建立程序修改档案，记录修改程序的时间内容及方案，每次修改程序需要备份原程序，建立程序恢复原点。
5结语
综上所述，实际生产中使用的控制多种多样，无论是何种品牌，无论该品牌具备何种通讯协议，都要具备与其他设备交换信息的能力，而MODBUS（TCP）协议正在背大多数控制系统厂商所认可，无论是通过软件程序还是通过硬件模块转换，都能够实现MODBUS（TCP）通讯功能。具备MODBUS（TCP）通讯功能的小型控制系统在现阶段将满足多品牌设备间的数据交换功能，推进生产企业大数据采集的步伐。随着科学技术的不断进步，控制方式也会不断推陈出新，MODBUS（TCP）通讯功能的小型控制系统功能也会越来越全面，应用领域不局限于化工领域，在食品、汽车制造、机械加工、农牧养殖、智慧交通等行业都具备很大的发展潜力。
参考文献：
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[2]黄玉宾.电气仪表自动化控制关键技术与发展趋势[J].电子技术与软件工程，2019（06）：113.