一、大庆油田

    大庆油田是20世纪60年代~现在中国的油区，位于松辽平原中央部分，滨洲铁路横贯油田中部。其中大庆油田为大型背斜构造油藏，自北而南有喇嘛甸、萨尔图、杏树岗等高点。油层为中生代陆相白垩纪砂岩，深度900米~1200米，中等渗透率。原油为石蜡基，具有含蜡量高（20%~30%），凝固点高（25℃~30℃），粘度高（地面粘度35），含硫低（在0.1%以下）的特点。原油比重0.83~0.86.1959年，在高台子油田钻出口油井，1960年3月，大庆油田投入开发建设。

    1976年以来，年产原油一直在5000万吨以上，1983年产油5235万吨。大庆油区的发现和开发，证实了陆相地层能够生油并能形成大油田，从而丰富和发展了石油地质学理论，改变了中国石油工业落后面貌，对中国工业发展产生了极大的影响。

    二、概述

    大庆油田天然气红压深冷装置是天然气分公司的气处理装置，每天处理天然气量达到90 万方，生产轻烃200 余吨。

    根据天然气深冷分离装置自动化监控系统的设计要求，由于相关的 PLC设备分布广泛，监控功能要求自动化程度高，而且有关的信息要迅速获取及处理，并要易于管理。

    因此自动控制系统以OPTO 22公司 SNAP I/O系统作为骨干框架，结合其极其先进易用的应用开发组态软件包Factory Floor Suit 4.0c,在 32位的WINDOWS操作系统平台上，开发出既能很简便完成系统各种监控功能，又具有使用灵活的人机界面的天然气深冷分离装置自动化监控系统应用软件，监控装置区各工艺点的温度、压力、差压、调节阀、电磁阀等。

    装置内压缩机、膨胀机、丙烷制冷机、ESD紧急停车系统等与OPTO22 SNAP I/O系统通过通讯进行数据交换，由于机组自带的PLC系统出自多个厂家，通讯标准不同，技术难度较大。

    我们通过不断摸索、实践，在较短时间内，顺利完成了多个系统间的通信问题，使系统具有可靠性高、兼容性强、操作简便等优点，并且为项目节省了投资。

    三、Opto 22固态继电器

    固态继电器（Solid State Relay, SSR）是一种无触点电子开关，采用混合工艺组装实现控制回路（输入电路）与负载回路（输出电路）的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能。跟机电式继电器不同，它内部无任何运动机械零件。固态继电器的控制信号所需的功率极低，因此可以用弱信号控制强电流。

    按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器（AC-SSR）和直流固态继电器（DC-SSR）。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为多。

    Opto 22固态继电器是工业界“可靠性”的代名词。

    所有Opto 22的固态继电器都伴随着终生保用的承诺。Opto 22全系列的继电器都在美国加州总部用的工艺制造而成。所有的继电器都有4000V以上的光耦隔离，并且所有的产品都在6倍满负荷电涌的条件下进行出厂测试。

    Opto 22 提供全系列的固态继电器产品。包括从120/240v 单相接装式交/直流标准系列，到单列直插式 MP 系列。所有的 Opto 22 固态继电器都具有4000v光电隔离的特性（现场端和控制端之间），并且都通过了UL和CSA。

    四、通讯系统的要求

    （1） 具备实时数据传输通讯功能，利用OPTO22 产品的强大的通讯优势，将生产数据实时传输到OPTO22 SNAP I/O系统。

    （2） 完善的安全监控功能。OPTO22 SNAP I/O系统接收到机组通讯传出的报警信号，能够及时记录并执行相应现场控制流程。

    （3） 支持多通讯协议；

    （4） 良好的中文人机界面；

    （5） 采用工业组态软件实现，便于维护、扩充和升级；

    五、技术实现

    红压深冷装置项目由压缩机控制子系统、膨胀机控制子系统、丙烷机控制子系统、ESD紧急停车子系统和OPTO 22公司OPTO22 SNAP I/O 控制系统（ME系统）五部分组成。其中前四个系统只是进行局部的单体控制，与OPTO22 SNAP I/O控制系统之间通过网络通讯实现数据交换。OPTO22 SNAP I/O系统（ME系统）在整个系统中处于全局控制和监视的至关重要的地位。

    在本项目中我们使用OPTO22 SNAP I/O控制系统的 OPTO22 SNAP LCM4做为主控制器，该控制器CPU采用 32位Motorola 68EC030 处理器，4MB内存带电池后备，2MB快闪可读写内存，四个串行接口，一个固定的RS-485,三个可分别独立设定为RS-232/485.我们利用控制器自带的串行接口进行编程实现。

    六、ESD--紧急停车系统

    ESD是英文Emergency Shutdown Device紧急停车系统的缩写。

    这种专用的安全保护系统是90年代发展起来的，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评。

    ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS.在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。据有关资料，当人在危险时刻的判断和操作往往是滞后的、不可靠的，当操作人员面临生命危险时，要在60s内作出反应，错误决策的概率高达99.9%.因此设置独立于控制系统的安全联锁是十分有必要的，这是作好安全生产的重要准则。该动则动，不该动则不动，这是ESD系统的一个显着特点。

    对于较大规模的紧急停车系统应按照安全独立原则与DCS分开设置，这样做主要有以下几方面原因：

    （1）降低控制功能和安全功能同时失效的概率，当维护DCS部分故障时也不会危及安全保护系统；

    （2）对于大型装置或旋转机械设备而言，紧急停车系统响应速度越快越好。这有利于保护设备，避免事故扩大；并有利于分辨事故原因记录。而DCS处理大量过程监测信息，因此其响应速度难以作得很快；

    （3）DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁的干预，这有可能引起人为误动作；而ESD是静态的，不需要人为干预，这样设置ESD可以避免人为误动作。

    七、分析ESD系统

    在现场应用中，首先我们分析ESD系统。ESD紧急停车系统是红压深冷装置安全保证的基础，它采用SIEMENS S7-400 可编程序控制器实现，自身设计成主站工作，无上位机显示设备，监视完全在OPTO22 SNAP I/O中实现。OPTO22 SNAP I/O控制系统中的LCM4控制器的COM0---COM3 通讯端口可以根据需要设置成232 或 485方式， 根据现场的多次通讯实验，通讯采用标准MODBUS 方式实现不了。

    主要原因是ESD 系统采用的是主站方式，若改为从站通讯方式需更换所有 ESD软、硬件。费用太高，实现不可能。经过对ESD PLC的进一步分析，我们决定采用自由口通讯方式，把SIEMENS S7-400 通讯端口用485接线方式连接到与其标准兼容的LCM4控制器的 COM3上。通过编制数据交换程序，设定起始码、奇偶效验、每个数组的位数、传输波特率等。调试过程中，DCS 接收到了ESD 发送的数据，但稳定性差，在线（ONLINE）程序中看到有时出现空栈错误，程序运行至通讯时逻辑不正常，经过反复分析及多次试验，在程序中加了数据同步处理，至此，与ESD通讯完全正常，实现了DCS与紧急停车系统的通讯。

    在与压缩机系统PLC通讯时，压缩机系统采用GE 公司的90-70,我们采用MODBUS RTU方式，编制相应程序，在程序编制完成后，通过下装、运行，不断调试，终顺利的进行了连接。 在实现上述两个机组通讯实现的基础上，利用积累的经验，根据机组各自的特点，实现了DCS与全部机组的通讯。

    八、系统结构及配置方案

    在本系统中，采用OPTO 22的先进且成熟可靠的OPTO22 SNAP I/O系统，这是一个应用串行通讯多次重发技术的三层分布式网络。 本系统由自控中心的监控主机PC和四台OPTO 22的主控制器OPTO22 SNAP-LCM4 以及7个可分布安装放置的前端智能I/O单元B3000组成。

    在三层网络结构中：

    层是由PC 组成，使用ETHERNET 网络连接，作为监控系统的人机界面，动态显示各种设备运转的实时状态，显示和记录设备的异常和故障报警，设定设备的自动运行时间及条件，操作者可切换系统设备按自动或手动的方式运行。

    另外如用户有所要求，可把监控主机设立为Web Sever,所有的监控图画转换为Web Page,用户可在局域网和互联网上，使用标准的网页浏览器Internet Explorer,对系统实行监视甚至进行操作控制。

    第二层由四台OPTO 22 控制器OPTO22 SNAP-LCM4 组成，各控制器与监控主机之间采用以太网通讯方式，组成监控网络（C-Net）。其中两台控制器与现场I/O相联，另外每台控制器与现场PLC相联。

    第三层是由多台PLC及 7个I/O智能单元B3000组成。I/O单元之间及相关控制器之间由RS-485,组成I/O网络（I/O-NET），I/O单元的距离是1000m,加通讯重发器可延长分布距离。这样就可以把I/O单元和I/O模块分散安置在各相关设备附近，使连接的信号线减到少，大大减少信号传输过程中受到干扰的机会。I/O单元直接获取设备的工作状态和报警信号，设备的检测信号数值，同时可自动或手动控制设备的运转，对有关的PID运算控制回路，进行本地的运算和调节，大大加强了系统的实时控制及快捷反应能力。

    九、实践意义

    通过实践证明OPTO22 OPTO22 SNAP I/O 系统与多机组PLC间通讯是稳定的和便捷的， 实时性好，可靠性也高，体现了OPTO22 OPTO22 SNAP I/O 系统灵活、多变、通讯功能强大的特点。