本安型遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)在反應(yīng)器表面溫度在線監(jiān)測中的應(yīng)用

榮俊勝

（陜西時(shí)代能源化工有限公司）

遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)是一種具有通信功能、 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸?shù)墓I(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品，這種系統(tǒng)通常由電源模塊、通信網(wǎng)關(guān)、I/O 模塊及底板（或總線接口）等組成。 遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)中沒有控制器， 因而它本身不具備回路控制和調(diào)節(jié)功能，僅在現(xiàn)場設(shè)備與自動(dòng)化控制系統(tǒng) （如PLC、DCS 及SCADA 等）之間起到連接作用。 它將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，同時(shí)實(shí)時(shí)接收控制系統(tǒng)輸出的指令并傳輸?shù)较鄳?yīng)的現(xiàn)場設(shè)備。 遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間的連接通過基于現(xiàn)場總線技術(shù)的通信方式實(shí)現(xiàn)，不同制造商或品牌產(chǎn)品的通信方式不盡相同，工業(yè)場合常用的通信方 式 主 要 有PROFIBUS-DP、PROFINET、Modbus RTU、Modbus TCP、DeviceNet、CANopen 及Ethernet/IP 等［1］。

遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)具有成本低、易擴(kuò)展、配置靈活及運(yùn)行維護(hù)便捷等特點(diǎn)。 例如，與自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間的連接只需要一根通信線纜，大量節(jié)省了計(jì)算機(jī)信號線纜或控制線纜，也減少了控制系統(tǒng)本身的I/O 點(diǎn)數(shù)；現(xiàn)場設(shè)備信號類型變化時(shí)，只需更換相應(yīng)類型的I/O 模塊即可。 自20 世紀(jì)以來，遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化、軌道交通、倉儲物流及能源電力等場合。

1 本安型遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)

本安型遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)的防爆型式為本質(zhì)安全型， 其防爆型式認(rèn)證一般不應(yīng)低于Ex ib ⅡCT4 Gb，同時(shí)能夠連接具有本質(zhì)安全型防爆級別的現(xiàn)場設(shè)備， 適用于安裝和運(yùn)行在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，如石油、石化及化工等行業(yè)的生產(chǎn)裝置現(xiàn)場。 世界上首先推出本安型遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)的是德國斯泰爾（R.STAHL）公司，其他擁有成熟技術(shù)和豐富應(yīng)用業(yè)績的主要是德國產(chǎn)品，如圖爾克（TURCK）、倍加福（P+F）、博太科（BARTEC），上述4 家公司產(chǎn)品的主要規(guī)格見表1。

2 應(yīng)用情況介紹

2.1 應(yīng)用場景

在某應(yīng)用新工藝技術(shù)的年產(chǎn)10 萬噸工業(yè)化試驗(yàn)裝置中，合成反應(yīng)器R001 是最關(guān)鍵的設(shè)備。該反應(yīng)器是固定流化床反應(yīng)器，直徑3m，反應(yīng)溫度330～360℃，氣相介質(zhì)為CO、H2和微量固體混合物。 在反應(yīng)器內(nèi)部，反應(yīng)氣體吹動(dòng)催化劑呈流化狀態(tài)進(jìn)行氣固兩相反應(yīng)， 在反應(yīng)區(qū)域設(shè)有冷管， 通過冷管及時(shí)將大量反應(yīng)熱移出反應(yīng)器，維持反應(yīng)溫度穩(wěn)定，防止反應(yīng)器飛溫。 反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有若干溫度、壓力、物位測點(diǎn)，用以測量其溫度分布進(jìn)而找出反應(yīng)器中的特定參數(shù)，所有測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)DCS 并通過高選器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

表1 部分公司本安型遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)產(chǎn)品的主要規(guī)格

針對該反應(yīng)器還設(shè)置了一套反應(yīng)器表面溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠在DCS 中實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)并報(bào)警。 溫度測點(diǎn)在反應(yīng)器外壁表面點(diǎn)式布置，共234 個(gè)，沿反應(yīng)區(qū)域軸向布置13 層、每層18 個(gè)，根據(jù)密相區(qū)、稀相區(qū)的不同，層間距也有所不同。 由于同一位置的外壁表面溫度與其內(nèi)部溫度基本接近，因此該系統(tǒng)的設(shè)置有利于更加全面地監(jiān)測反應(yīng)器溫度分布情況，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)因反應(yīng)區(qū)域氣體偏流或其他因素導(dǎo)致的局部熱點(diǎn)現(xiàn)象，通過DCS 報(bào)警來提醒工藝操作人員采取處理措施以確保設(shè)備和人身安全。 裝置現(xiàn)場反應(yīng)器所處環(huán)境的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分為2 區(qū)，防爆等級分組為ⅡCT4。

實(shí)現(xiàn)這234 個(gè)溫度測點(diǎn)在DCS 顯示、報(bào)警等功能的方法有多種， 如直拉電纜連接、“分支+主干”電纜連接、就地?cái)?shù)據(jù)采集+通信連接等。 結(jié)合該系統(tǒng)輸入信號類型單一、 功能相對獨(dú)立的特點(diǎn)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性及功能完整性等因素， 最終選定以本安型遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)為核心來構(gòu)建反應(yīng)器表面溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

反應(yīng)器表面溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)由測量、數(shù)據(jù)采集與傳輸、顯示與報(bào)警等環(huán)節(jié)組成。 在測量環(huán)節(jié)， 測溫元件采用WRGKK 系列K 型熱電偶，防爆等級Ex ia ⅡCT6 Ga， 熱電偶前端插入反應(yīng)器表面焊接的固定件中，熱電偶輸出信號通過補(bǔ)償導(dǎo)線接到遠(yuǎn)程I/O 的溫度模塊。 在數(shù)據(jù)采集與傳輸環(huán)節(jié)，溫度模塊完成數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)送往通信網(wǎng)關(guān)， 本安型遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)采用德國圖爾克（TURCK）excom 系列產(chǎn)品，與防爆微型斷路器、防爆直流電源等共同集成到防爆箱中。 在顯示與報(bào)警環(huán)節(jié)，DCS 接收本安型遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)傳輸來的數(shù)據(jù)， 通過組態(tài)實(shí)現(xiàn)DCS 界面顯示和報(bào)警功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 反應(yīng)器表面溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

將PROFIBUS-DP 轉(zhuǎn)換為Modbus RTU 主要是為了進(jìn)一步降低成本， 這是因?yàn)?，DCS 中支持PROFIBUS-DP 的通信模塊、點(diǎn)數(shù)授權(quán)的費(fèi)用明顯高于Modbus RTU， 后者一般只需考慮通信模塊硬件費(fèi)用即可。 此外，不同制造商DCS 產(chǎn)品的總線通信模塊大多只能作為通信主站，故此協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備選型要結(jié)合遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)通信網(wǎng)關(guān)和DCS總線通信特性共同確定。 本方案中協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備采 用 某 公 司 主 站 網(wǎng) 關(guān) PBM-MCO-1.0， 在PROFIBUS-DP 側(cè)作為主站 （下接3 個(gè)從站），在Modbus RTU 側(cè)作為從站，DCS 中的Modbus 通信模塊（COM741）作為主站。

2.3 現(xiàn)場設(shè)備配置

線路連接及撥碼開關(guān)配置。TAS03、協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備處的PROFIBUS-DP 接頭上的開關(guān)置“ON”位，其他置“OFF”位。 協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備處按5+/4-與DCS 主站連接，撥碼開關(guān)第1 位置“OFF”（Modbus通信）。 通過底板上的撥碼設(shè)置TAS01 ～03 PROFIBUS-DP 從站地址，要確保每個(gè)從站的物理地址與軟件配置中的地址一致， 以保證通信暢通。

協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備配置。 采用制造商提供的軟件PB-Confi，新建一個(gè)項(xiàng)目。將從站（excom 設(shè)備）GSD文件復(fù)制到該軟件的GSD 文件夾中，并執(zhí)行“重讀GSD”操作以識別設(shè)備。點(diǎn)擊DP_Master→PBMMCO-MB-1.0， 軟件自動(dòng)添加PROFIBUS 通信主站；雙擊主站圖標(biāo)，設(shè)置主站地址（0）、總線波特率（187 500）、 通 信 模 式 （DP） 等 參 數(shù)； 點(diǎn) 擊DP_Slave→I/O→EXCOM，添加PROFIBUS 通信從站； 點(diǎn)擊EXCOM 添加模塊， 槽1 是通信網(wǎng)關(guān)GDP-IS，其他槽與現(xiàn)場對應(yīng)的卡件型號為TI40EX T（熱電偶）；雙擊EXCOM 設(shè)定從站地址（需與現(xiàn)場地址對應(yīng)）；雙擊GDP，設(shè)置Redundancy Mode為System Redundancy:3，完成DP 熱備冗余配置；雙擊TI40EX T 為卡件設(shè)定參數(shù)→設(shè)置CJC（冷端補(bǔ)償）為PT100 ON TERMINAL:2（對應(yīng)在端子3、4加PT100 電 阻）。 點(diǎn) 擊PBM-MCO-MB-1.0 設(shè) 置Modbus 通信從站的波特率（9 600）、停止位（1）和MOD 地址（000）。 完成上述配置后，即可編譯下載。 配置完成后，應(yīng)注意將工程備份存檔。 需要注意的是，TI40Ex 模塊到DCS 傳輸?shù)氖?6 位整數(shù)，其內(nèi)碼值0～30 000 對應(yīng)0～3 000K， 實(shí)際測量值（℃）=實(shí)型值/10-273.15。

2.4 DCS 組態(tài)

DCS 組態(tài)軟件VFExplorer 中， 點(diǎn)擊工程名稱→控制組態(tài)→控制域→FCU1，依次做以下配置：

a. 硬件配置→COM741→冗余方式設(shè)置為一對一冗余，COM0（通道1）→輸入數(shù)據(jù)長度設(shè)置為512。

b. 位號表中，新增“模入”信號256 個(gè)，量程和原始碼設(shè)置為0～65 535，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為2 字節(jié)整數(shù)（有符號），并按次序與現(xiàn)場熱電偶布置一一對應(yīng)。

c. 用戶功能塊中， 新建一個(gè)ST 類型的用戶功能塊TI_R001，定義輸入?yún)?shù)IN1～I(xiàn)N18（對應(yīng)每層18 個(gè)測量信號）、 輸出參數(shù)OUT1～OUT18，數(shù)據(jù)類型選擇REAL，初始值為0.00。 同時(shí)，在代碼編輯區(qū)輸入計(jì)算代碼 “OUTX:=INX/10.0-273.15”，X 為1～18，每句代碼之間用“;”隔開，以此類推。

用戶程序中， 新建一個(gè)FBD 類型的用戶程序， 輸入名稱、 描述， 在此調(diào)用用戶功能塊TI_R001，每層調(diào)用一個(gè)，輸入引腳逐一連接位號表中對應(yīng)的“模入”信號（如AI16020525.PV），輸出引腳連接的數(shù)值即工程值 （如TI_301.VALUE），至此完成了DCS 對Modbus RTU 通信信號的數(shù)據(jù)采集。 此外，采用高選功能塊（ISEL8）組態(tài)，計(jì)算出每層的最高溫度值、最低溫度值。

DCS 組態(tài)軟件VFExplorer 中，在工程名稱→監(jiān)控組態(tài)→資源文件→彈出式流程圖下，新建一個(gè)彈出式界面， 按反應(yīng)器方位角展開繪制界面，并依次連接相應(yīng)的位號數(shù)據(jù) （如TI_301.VALUE）， 同時(shí)在反應(yīng)器主工藝流程界面中增加一個(gè)按鈕對象并組態(tài)其動(dòng)作為“彈出界面”并關(guān)聯(lián)到該彈出式界面。 DCS 操作站實(shí)時(shí)顯示界面如圖2所示。

圖2 反應(yīng)器表面溫度DCS 界面

3 結(jié)束語

遠(yuǎn)程I/O 系統(tǒng)集成有主流現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)功能，具有組網(wǎng)靈活、I/O 配置靈活、節(jié)約電纜的顯著特點(diǎn)，本安型產(chǎn)品的出現(xiàn)使其應(yīng)用場景進(jìn)一步擴(kuò)展， 適合爆炸0 區(qū)、1 區(qū)和2 區(qū)安裝應(yīng)用， 尤其適用于測點(diǎn)數(shù)量多但信號類型單一、擴(kuò)建裝置測點(diǎn)數(shù)量少但信號類型多樣的應(yīng)用場景。在當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)迎來大發(fā)展的時(shí)代背景下，作為DCS、PLC 控制系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，本安型遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)在促進(jìn)石油、石化及化工等行業(yè)生產(chǎn)裝置實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化、高度數(shù)字化、高度網(wǎng)絡(luò)化方面將發(fā)揮更大的作用。