原油罐区的主要任务是储存与输转各类油品，其日常监测参数主要包括储油罐的液位、温度、压力、体积以及质量等。这些参数都处于动态变化中，因此需对其进行及时准确的监测，以便指导生产运行^[1]。随着计算机、网络、通信和材料科学的快速发展，原油罐区库存监控系统自动化水平越来越高，基于可编程控制器PLC、分散控制系统DCS以及上位机监控软件的罐区监控系统增强了原油罐区的管理力度，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率和安全性^[2-3]。由于SCADA(数据采集监控系统)融合了先进的计算机技术、网络技术、通信技术、控制工程技术、测量技术等相关高科技成果，在大型储油库中应用尤为广泛。SCADA系统在多个原油罐区的应用实践表明：当SCADA监控系统应用于储罐数量较多、计算数据量较大的环境中时，其监控画面较易出现画面无法操作的情况(即工作站产生宕机)，必须通过重启工作站才能解决，给紧张繁琐的调度指挥带来较大的不便，同时存在安全隐患。因此，SCADA系统适用于现场设备的逻辑控制，但不适合进行复杂数据的统计运算。基于此，从现场应用的数据采集监控系统出发，提出了一种基于MODBUS和OPC(Ole for Process Control)技术的多冗余原油罐区库存监控系统，并将其应用到某原油监控系统中，采用OPC和MODBUS技术采集现场罗斯蒙特雷达液位计数据，通过现场控制器FCU和计量软件TankMaster两种方式获取罐区罐容数据，对两种数据进行冗余，提高了数据采集监控系统运行的可靠性。

1.   原油罐区库存监控系统

在原油罐区储罐液位测量中应用广泛的雷达液位计具有精度高、可靠性好的优点，不受油罐内气体、压力、温度、气象等因素影响，逐渐成为原油、成品油储罐信息采集的主要设备。美国艾默生公司生产的高精度雷达液位计，采用连续调频波FMCW技术，集成了储罐液位、温度、压力、罐底水位等参数的测量功能，精度可以达到0.5 mm。雷达液位计系统结构(图 1)包括储罐顶部的REX雷达、底部的现场单元DAU、多点温度计、现场通讯单元FCU、现场总线、调制解调器FBM以及上位机计量罗斯蒙特TankMaster软件等。其中，现场通讯单元FCU除了采集现场雷达数据，还可以与上位机通信传送数据，本身具有双向通信能力，最大可支持32个雷达的组态。现场通讯单元FCU与雷达RTG的通信采用TRL/2现场总线，其传输结果可靠、传输距离长(可达4 km)；罗斯蒙特TankMaster软件，是艾默生公司专门为自动罐区管理开发的软件系统，可以为罗斯蒙特储罐计量系统提供组态、维护、设置、库存管理和贸易交接功能。

图  1  雷达液位计系统结构组成示意图

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2.   OPC、MODBUS技术

2.1   MOUBUS通信方式

MODBUS协议是MODICON公司于1979年推出的一种可靠的、开放式现场总线的通信协议，现在已经发展成为主流的现场总线协议，得到了众多厂商的支持^[4]。目前，众多的PLC、DCS、智能仪表均支持该协议，并提供该协议接口。MODBUS协议使用ASCII和RTU两种模式，二者在报文结构、功能命令上是相同的，仅帧信息的表示方法不同，ROSEMOUNT雷达液位计采用的是MODBUS RTU模式。一个MODBUS信息包括设备地址(Device Address)、功能码(Function Code)、数据(Data)以及错误检查(Error Check)等信息。MODBUS协议采用主从、半双工工作模式(图 2)，在一个总线上仅有一台主机被允许，主机发送请求给从属设备，从机根据地址做出响应。

图  2  MODBUS协议主从响应流程图

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2.2   TankMaster OPC系统

OPC是基于微软的OLE/COM技术开放式标准接口而建立的一套技术标准^[5]。OPC采用客户/服务器方式，不需要额外的驱动和硬件，使用标准的LAN通信方式。TankMaster OPC将各个硬件设备驱动程序和通信程序封装成独立的OPC服务器，组态软件InTouch作为OPC客户端无需详细了解硬件的性能特点，只需要按照规定的数据结构进行访问即可。由于TankMaster OPC遵循标准的逻辑结构(图 3)很好地定义不同值的位号，因此只需要通过标准的OPC接口访问OPC服务器，就可以获取数据。

图  3  TankMaster OPC系统结构示意图

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3.   基于OPC和MODBUS技术的罐区监控方式

将需要复杂运算的数据通过ROSEMOUNT的TankMaster计量软件进行处理，并通过OPC的方式将数据传送给上位机组态软件InTouch中；PLC通过现场控制器采集雷达液位计数据必要的液位、温度数据，并在InTouch上进行数据的相关显示。该方式可以很好地减少PLC、InTouch由于负荷过大产生的宕机故障，提高SCADA系统的执行效率，同时具有储罐基本数据冗余采集、显示功能(图 4)。该罐区库存监控系统具有以下特点：①双FCU冗余功能，如果一个FCU出现问题，另外一个FCU就会接管数据；②双TankMaster工作站冗余，正常工作是两个工作站同时读取数据，当一个出现问题，备用工作站就会自动提供OPC服务；③PLC与OPC之间相互冗余，PLC和OPC方式获取的雷达液位基本数据可以相互冗余。

图  4  罐区库存监控系统结构示意图

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整个监控过程包括PLC通过MODBUS总线获取数据、InTouch通过OPC Server获取数据两个过程，具体工作过程为：FCU通过Group Buses(组总线)向PLC和TankMaster软件传送数据。简单数据的采集(如液位、温度)是PLC直接通过MODBUS总线获取，并将数据传输给SCADA监控软件进行显示；复杂数据的运算(如需要利用罐容表进行的计算)则通过TankMaster软件进行，并且提供OPC Server服务，SCADA监控软件进而可以直接读取运算结果，减少复杂计算过程。

3.1   PLC通过MODBUS方式与FCU通信的实现

可编程控制器PLC是SCADA系统数据采集的核心控制器，原油罐区库存监控系统采用的是施耐德Quantum 67160系列，该PLC具有较好的运算能力、冗余功能以及对MODBUS的良好支持。现场控制器FCU选用的是ROSEMOUNT 2160，最大支持4路MODBUS总线，同时采集各个通讯端口的雷达数据，将数据传送给上位机。

MODBUS功能码(表 1)用于定义数据类型和被请求的设备执行何种操作。从属设备地址与寄存器的类型有关，根据规范每种寄存器类型均有一个偏移量。

表  1  MODBUS功能码

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PLC轮询读取数据的流程(图 5)为：PLC通过MOUBUS总线发送查询指令，FCU将相应雷达的数据传送给PLC，再将这些参数写入PLC相应的寄存器内，以便上位机软件InTouch随时调用并根据程序逻辑执行相应的操作。

图  5  PLC轮询读取数据流程图

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3.2   InTouch与TankMaster OPC通信的实现

上位机软件选用美国Wonderware公司开发的基于组件的MMI系统，具有使用简单、组态灵活、组网方便、支持各种主流数据库等优点^[6-10]。InTouch软件包里提供了OPC link软件，作为连接InTouch软件和TankMaster OPC之间的桥梁(图 6)，OPC link可以建立OPC服务于InTouch软件之间的数据通道，并可以通过标准的以太网访问TankMaster软件。InTouch要完成数据的获取，需要在OPC link和InTouch window maker中进行相应配置。

图  6  OPC link的数据桥梁作用示意图

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(1) OPC link端配置。作为数据通道的OPC link是Wonder InTouch软件所提供的外部IO设备支撑软件，可以将外部OPC数据同步转移给InTouch数据库中。OPC link配置需要注意选择Tank Server服务，同时OPC名称按照标准添加。

(2) InTouch window maker端配置。InTouch中添加TankMaster OPC的访问名，使得InTouch软件可以通过OPC link调用TankMaster OPC服务提供的数据源，并将获取的数据以I/O数据的形式存储到Intouch的数据库中。

3.3   应用效果

基于OPC和MODBUS技术的原油罐区库存监控系统应用到某原油储备库中，两年多的运行结果表明其稳定可靠，实现了SCADA零故障率，无宕机情况发生。原油罐区库存监控系统实现了数据采集控制系统SCADA采集现场控制器FCU数据与计量软件TankMaster向SCADA系统传输数据的冗余配置，与TankMaster中液位数据及现场雷达液位计数据均一致。同时，由于多重冗余方式的应用，避免了设备故障或设备检修过程中可能产生的SCADA无法进行调度管理的问题。

4.   结束语

OPC技术和MODBUS总线这两种方式的引入，实现了数据采集、数据显示、数据传输环节的全冗余，避免了单一方式某环节出现问题后的无数据显示问题，较大地提高了系统的稳定性。基于OPC与MODBUS技术的原油罐区库存监控系统可以推广到采用相同结构的SCADA系统中，同时对不同结构及不同总线形式的系统也具有参考价值。