基于Modubs RTU通讯火炬点火盘高能点火改造与探索

李德杨

中海石油（中国）有限公司上海分公司 上海 200050

摘要：平台火炬点火系统只有一种内传焰点火方式，目前自动点火失效、四套长明灯均已无法正常点燃、控制盘内自动点火失效。火炬点火只能采用人工操作内传焰点火的方式，当内传焰点火失效后，火炬点火需要人员上塔点火，存在很大的风险。为保证点火装置的正常运行，对平台火炬点火系统增加4套独立的高压点火装置、更换损坏的4套长明灯、保留原有的内传焰点火装置。确保火炬装置长期稳定的运行。

关键词：火炬、高能点火、Modubs RTU、改造与施工

引言：平台火炬点火盘原设计只有3个报警信号传送至中控（火焰熄灭、点火失败、综合故障），中控既无法远程监测火炬实际工作状态，也不具备在火炬熄灭后再次远程点火的功能。由于气田位于中国东海海域，每年夏季受台风影响较大，在遇到台风等恶劣天气时，火炬随风偏移严重，且火焰温度较低，容易产生火炬熄灭误报警，单凭借报警信号无法判断现场实际情况。同时，当火炬熄灭后，无法实现远程重新点火，为保证复台安全，只能被迫触发生产关断，严重影响了台风期间的安全生产和生产时效。

为解决火炬进行远程点火和数字化监控的功能改造。需要增加中控到火炬控制盘的RS485通讯电缆一条，中控需要增加PCS的通讯卡件、新建通讯程序和上位机监控画面等工作，同时要求新装的火炬现场控制盘PLC自带通讯功能。

1.总体改造施工构架如下图所示。

具体施工实施如下

（1）穿线管安装、马脚焊接、电缆敷设

在火炬爬梯右边焊接支架、敷设穿线管，从火炬塔顶至平台火炬撬高压点火控制箱，每路100米，共计4路。火炬台一端用接线盒分接给4个点火装置，接线盒与高压点火发生器之间电缆使用不锈钢防爆挠性管，防热辐射；每条穿线管之间用螺纹连接，提前在陆地预制好部分螺牙。采用∅10不锈钢U型卡固定在支架上；支架材料50×50×5角钢，每个支架相隔2.5米，长度150mm下料完成、钻孔、再焊接在楼梯的槽钢上；温度变送器电缆（5×2×1.5mm²船用仪表电缆）使用马脚固定，直至PLC接线箱；新增设4支热电偶，安装在长明灯头部下方。热电偶接线箱置于位于距离火炬头平台大约10米左右的爬梯位置上，电缆由底部平台橇块接线箱引出至热电偶接线箱。

新敷设4条G3/4”高压电缆保护管线、热电偶电缆走原来的电缆桥架，使用船缆规格。

（2）控制箱安装

PLC控制箱和高压发生器控制箱（4个合成一个总的控制箱）安装在平台上控制撬块上、温度变送器接线箱一个安装在离火炬台10米的楼梯处；

   

热电偶安装位置                 高压挠性管安装位置

火炬爬梯右边焊接支架、敷设穿线管，从火炬塔顶至平台火炬撬高压点火控制箱，每路100米，共计4路。4套高压电缆引至长明灯点火电嘴处。

（3）长明灯更换

拆除原4支长明灯，更换4支新长明灯。新更换的新型长明灯含有爆燃管和燃料气管。与原长明灯各接口位置相同。

  更换长明灯时由于高能点火有电嘴，长明灯和内传焰的方向已经固定不能进行修改，所以需要修改燃料气环管的引入口，如下图所示。

燃料环管位置不对称                从新加工改造燃料气环管

线缆利旧，减少改造过程中施工的成本，节省施工时间。

端子接线图

依据上图端子接线图所示，除去电源与中控系统进行数据交换的信号有四组，分别为DCS火炬燃烧，DCS火炬故障，DCS高空点火控制信号，MODBUS通讯信号。

原火炬系统，有两组DI报警信号传入中控分别为点火失败报警和火炬故障报警，考虑原有火炬系统不再具备自动控制能力，所以直接引用该点信号直接接入DCS火炬燃烧、DCS火炬燃烧。

剩余两组DCS高空点火控制信号和MODBUS通讯信号，通过现场勘察和核验，发现原火炬系统有两组SPARE线芯进入F&G系统，处于备用状态。通过中间接线箱，调整状态至同一控制柜，在柜内敷设2P（4芯）电缆至中控DCS控制柜，以实现DCS高空点火控制和MODBUS通讯信号，改造示意图如下图所示。

点火盘通讯及远控改造示意图

2.点火盘调试

（1）中控系统DCS远程点火的实现。

PLC SMART 200 接线原理图

依据上图PLC SMART 200 接线原理图中红框内DCS远程点火信号的接入方式，通过中间继电器K9进行外接电源隔离，引用K9辅助触点作为PLC远程点火信号的输入信号。

PLC SMART 200 远程点火程序控制逻辑

依据上图PLC SMART 200 远程点火程序控制逻辑MTDCSIgniteBegin作为TDCSIgniteSign（I0.6）的自锁信号，同时MTDCSIgniteBegin线圈信号传递给V10.3、V10.4、V10.5、V10.6，然后传递给输出Highpress1_Q（Q0.3）、Highpress2_Q（Q0.4）、Highpress3_Q（Q0.5）、Highpress4_Q（Q0.6）。

依据逻辑原理图程序以及接线原理图分析，外接入DCS触点接入需要中控DCS系统给出干触点信号，同时TDCSIgniteSign（I0.6）输入信号需要为脉冲信号，脉冲时间不能大于6秒，依据DCS系统给出脉冲的时间原则上不小于2秒，基于以上的考虑中控系统的输出为5秒脉冲干触点信号。

(2)Modbus RTU通讯的接入调试与实施。

由于PLC SMART 200 SR40系列CPU与中控通讯方式为Modbus RTU。而中控DCS系统控制采用的是远程IO柜控制，远程IO柜与中控的通讯也是Modbus RTU，为了避免通讯电源的干扰提高传输距离，选用一款IR-1301D有源工业级RS-485光电隔离中继器，RS-485（GND1端）、RS-485（GND2端）和外部电源端三端全隔离中继器。有效隔离外部电源，采用双向自动流控技术，可自动识别RS-485信号流向，透明传输，波特率自适应，无须更改协议，外部电源物理接口也为接线柱方式，并可以从两端供电（电源接在哪一端都可以），电源接口：VIN（+8～48VDC）、+5V、GND （可双端供电），通信波特率：50～115.2Kbps自适应，流控：双向自动流控，通信距离：0～3Km，支持节点数：支持32个通信节点（标准负载情况下），隔离保护电压：3000V，防雷保护电压：7～8V，防雷保护容量：600W/ms，静电保护电压：15KV。

下列程序为PLC内部MODBUS RTU从站调用指令。

Modbus指令调用程序

MBUS_INIT指令用于启用，初始化或禁用 Modbus通信。

“模式”(Mode) 输入的值用于选择通信协议：输入值为 1 时，分配 Modbus协议并启用该协议；输入值为 0 时，分配 PPI 协议并禁用 Modbus 协议。

参数“地址”(Addr) 将地址设置为 1 至 247 之间（包括边界）的值。

参数“波特”(Baud) 将波特率设置为 1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或 115200。

参数“奇偶校验”(Parity) 应设置为与 Modbus主站的奇偶验校相匹配。所有设置使用一个停止位。接受的值如下：0（无奇偶校验）、1（奇校验）和 2（偶校验）。

参数“端口”(Port) 设置物理通信端口（0 = CPU 中集成的 RS-485，1 = 可选信号板上的RS-485 或 RS-232）。

参数“延时”(Delay) 通过使标准 Modbus 信息超时时间增加分配的毫秒数来延迟标准Modbus 信息结束超时条件。在有线网络上运行时，该参数的典型值应为0。如果使用具有纠错功能的调制解调器，则将延时设置为 50 至 100 ms之间的值。如果使用扩频无线通信，则将延时设置为 10 至 100 ms之间的值。“延时”(Delay) 值可以是 0 至 32767 ms。

参数 MaxIQ 用于设置 Modbus 地址 0xxxx 和 1xxxx 可用的 I 和 Q 点数，取值范围是 0 至256。值为 0时，将禁用所有对输入和输出的读写操作。建议将 MaxIQ 值设置为 256。

参数 MaxAI 用于设置 Modbus 地址 3xxxx 可用的字输入 (AI) 寄存器数，取值范围是 0 至56。值为 0 时，将禁止读取模拟量输入。建议将 MaxAI 设置为以下值，以允许访问所有CPU 模拟量输入：

● 0（针对 CPU CR40 和 CR60）● 56（所有其它 CPU 型号）

依据程序编写指令，将VD300值放入地址MODBUS地址40001、40002中，VD304值放入地址MODBUS地址40003、40004中，VD308值放入地址MODBUS地址40005、40006中，VD312值放入地址MODBUS地址40007、40008中，分别表示火炬热电偶1#、2#、3#、4#温度。

火炬燃烧指示、火炬故障指示、火炬自动状态、火炬高压1点火、火炬高压2点火、火炬高压3点火、火炬高压4点火等相应信号存入VD1020（MODBUS地址40011）。

火炬高空点火，中控远程点火和其他辅助显示功能组态。使用中控DCS系统原有DO点，Modbus接入CTR01，C03 PORT1，中控系统使用DELTAV完成通讯组态，硬点控制组态，画面组态以及联合调试。

新增火炬高能点火中控组态新增火炬高能点组态画面

结束语：

热电偶的维修处理及改进方式：

火炬高能点火系统热电偶4个，在调试期间只有一个热电偶有示数指示并远传数据到中控显示，其余三个热电偶故障。基于对火炬高处防雷措施和便于维护的考虑，需将热电偶变送器及防爆接线箱进行电缆导线补偿后安装在火炬模块下方根本。

火炬高能点火主要性能指标取决于2块。1是火炬头高能点火装置的质量和安装技术要求，涉及到点火电嘴与空气流通量的安装间隙完好配合；2是高压发生器的质量，改造使用的是220V—2.5KV变压器，串联2个3.3K电阻后串联二极管，并联4.1uF电容，经放电管至高压电嘴，高压发生器容易出故障点在变压器和放电管。

在此次火炬改造，火焰一次点燃，虽然效果不错，但是热电偶的布线和温度变送器与通讯柜显示以及内传焰长明灯的对接上还是有改进的空间。通过此次施工改造中，总结出了施工中重要技术环节和使用物料技术参数，以及PLC与中控MUDBUS RTU通讯控制策略，达到预期的目标，为其他项目的改造施工积累一点经验。

参考文献：

催坚：西门子可编辑控制控制器——STEP7 编译指南【M】北京 ：机械工业出版社，2007.

SIMATIC Configuring Hardware and Communication Connections STEP 7 V5.2. SIEMENS, 2002.

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