遠(yuǎn)程輸入/輸出系統(tǒng)在儀表實(shí)訓(xùn)基地的應(yīng)用

徐進(jìn)濤　徐衛(wèi)敏

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海200540)

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遠(yuǎn)程輸入/輸出系統(tǒng)在儀表實(shí)訓(xùn)基地的應(yīng)用

徐進(jìn)濤徐衛(wèi)敏

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海200540)

摘要：介紹了圖爾克遠(yuǎn)程輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、工作原理、項(xiàng)目中遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的硬件配置、項(xiàng)目中實(shí)際通訊方式和系統(tǒng)的組態(tài)配置，并對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行歸納和總結(jié)，認(rèn)為遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)可以為企業(yè)節(jié)約大量的工程建設(shè)費(fèi)用，減少企業(yè)用工，提高企業(yè)的工作效率。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程輸入/輸出系統(tǒng)工作原理優(yōu)勢(shì)實(shí)訓(xùn)基地

石化企業(yè)采用集散控制系統(tǒng)(DCS)時(shí)，所需儀表電纜和設(shè)備較多，在項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用中所占比例不容小視。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，各類新技術(shù)及新設(shè)備接連不斷地產(chǎn)生，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也不斷成熟，圖爾克遠(yuǎn)程輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)由此產(chǎn)生。采用遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)后，現(xiàn)場(chǎng)的各類儀表只需通過儀表電纜與I/O系統(tǒng)的I/O設(shè)備接口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)后即被I/O模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到網(wǎng)關(guān)，然后由網(wǎng)關(guān)將信號(hào)傳送到上一層的開放總線上，最后經(jīng)開放總線到達(dá)DCS或者可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，產(chǎn)品日趨完善，并得到了廣泛的應(yīng)用。目前，全世界已安裝的系統(tǒng)超過1 800套，已安裝的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備超過4萬臺(tái)，其中，在中國已安裝系統(tǒng)超過100套，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備超過4 000套[1]。

某煉化企業(yè)于2014年開始新建儀表實(shí)訓(xùn)基地，主要包括現(xiàn)場(chǎng)儀表演示室、儀表校驗(yàn)室、組合式過程控制實(shí)訓(xùn)室、PLC系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室、控制系統(tǒng)與過程控制實(shí)訓(xùn)室。在控制系統(tǒng)與過程控制實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)中，引入近年來發(fā)展非常迅速的圖爾克遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，在此對(duì)I/O系統(tǒng)的特點(diǎn)和配置等進(jìn)行介紹。

1圖爾克遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)介紹

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖爾克遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)由系統(tǒng)母板、冗余的電源模塊、冗余的網(wǎng)關(guān)模塊、各種I/O卡件組成，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)通過總線接口與DCS、PLC系統(tǒng)通訊。單個(gè)遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)對(duì)于開關(guān)量信號(hào)采集周期小于5 ms，對(duì)于模擬量信號(hào)采集周期小于20 ms，同時(shí)系統(tǒng)具備卡件故障指示功能，儀表回路出現(xiàn)開路或者短路檢測(cè)功能。

所有的模塊均可在線插拔而不會(huì)中斷系統(tǒng)正常的數(shù)據(jù)通訊，網(wǎng)關(guān)和電源模塊在系統(tǒng)冗余配置的情況下才允許進(jìn)行熱插拔。

1.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

如果遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)與DCS/PLC系統(tǒng)之間的距離小于1.2 km，則遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)只需要通過Profibus-DP電纜與控制室內(nèi)的段耦合器相連，然后再連接DCS/PLC系統(tǒng)。

如果遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)與DCS/PLC系統(tǒng)距離大于1.2 km，則需要使用光纖連接的方式，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)首先通過Profibus-DP電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的光纖耦合器OC11EX/2G，然后再通過光纖連接到控制室光纖耦合器OC11EX/3G上，最后再通過Profibus-DP電纜直接連接到DCS/PLC系統(tǒng)上。

1.3工作原理

現(xiàn)場(chǎng)的各類儀表通過儀表電纜與圖爾克遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的I/O設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)后即被I/O模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到網(wǎng)關(guān)，然后由網(wǎng)關(guān)將信號(hào)傳送到上一層的開放總線上去，最后經(jīng)開放總線到達(dá)控制系統(tǒng)(DCS/PLC)。由控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)則經(jīng)過相反的路徑進(jìn)行傳輸，整個(gè)遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的供電由系統(tǒng)母板上連接的電源模塊提供。

2項(xiàng)目情況

2.1遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)儀表配置

圖爾克總線式本安遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)硬件配置清單介紹請(qǐng)見表1所述。

表1　系統(tǒng)硬件配置清單

項(xiàng)目采用MT18-R024型號(hào)的母板，母板的左側(cè)上方留有安裝兩個(gè)電源模塊和兩個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊的接口，在接口的下方分別對(duì)應(yīng)著用來連接外部供電電源的采用增安保護(hù)形式的接口和用來設(shè)定總線地址的3個(gè)十進(jìn)制旋鈕，及用來連接外部上層現(xiàn)場(chǎng)總線的總線接口。在母板上方，網(wǎng)關(guān)接口的右側(cè)是各種I/O模塊的連接接口，母板內(nèi)部通過冗余的內(nèi)總線將這些接口連接起來。各I/O模塊的電源供應(yīng)是通過母板內(nèi)的供電系統(tǒng)來完成的。在各I/O模塊接口的下方，對(duì)應(yīng)著用來連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的I/O設(shè)備接口，來自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)線通過可插拔的接線端子與之進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接。母板最多可以連接16路I/O模塊，2個(gè)電源模塊，最多可連接128個(gè)開關(guān)量或者64個(gè)模擬量的輸入或者輸出。

電源模塊為24 V直流電源，可連接18～32 V的外部供電電源。供電系統(tǒng)綜合運(yùn)用了密封式、增安型和本質(zhì)安全型3種防爆方法，再加上電源冗余配置，確保了電源系統(tǒng)的絕對(duì)安全，而且電源最大輸出功率為60 W。

電源濾波器用于改善啟動(dòng)特性，增加操作穩(wěn)定性的電容器，采用電源濾波器主要用于對(duì)外部直流電源中交流部分的過濾，確保電源模塊的供電質(zhì)量要求。其中網(wǎng)關(guān)模塊用于將I/O系統(tǒng)與上層的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)相連，冗余配置的網(wǎng)關(guān)可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?。網(wǎng)關(guān)最大的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5 MB/s，它是通過位于母板上的標(biāo)準(zhǔn)的小型D-SUB接插件而不是直接與上層的現(xiàn)場(chǎng)總線相連，這就可以保證插拔網(wǎng)關(guān)時(shí)不會(huì)中斷總線的通訊。

圖爾克遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的I/O模塊包括數(shù)字量的輸入和輸出模塊、模擬量的輸入和輸出模塊(支持HART協(xié)議信號(hào)的傳輸)、溫度(熱電阻或熱電偶)輸入信號(hào)處理模塊三大類共8種。其中本項(xiàng)目采用的AI40EX模擬量輸入模塊主要用于連接本質(zhì)安全型的4路2線制變送器，而且現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)為無源信號(hào)，卡件可以實(shí)現(xiàn)輸入回路的短路和斷路監(jiān)控功能。AOI40EX模擬量輸出模塊可以最多連接4個(gè)4～20 mA的本安執(zhí)行器，同時(shí)也可以對(duì)每個(gè)通道的短路及斷路進(jìn)行監(jiān)控；DI40EX數(shù)字量輸入模塊用于連接NAMUR傳感器和機(jī)械觸點(diǎn)的模塊，可以連接4個(gè)NAMUR接近開關(guān)或者接線觸點(diǎn)，同時(shí)也可以對(duì)輸入回路的短路和斷路進(jìn)行監(jiān)控；DO40EX數(shù)字量輸出模塊用于連接4個(gè)本質(zhì)安全執(zhí)行器，如低功率的電磁閥或者指示器，也具有短路和斷路監(jiān)控功能；TI40EX用于溫度信號(hào)檢測(cè)的輸入模塊，可以檢測(cè)電壓或者電阻信號(hào)，可以連接2、3、4線制的熱電阻或者熱電偶儀表，整個(gè)卡件可連接4路溫度信號(hào)，同時(shí)也具有輸入回路的短路、斷路監(jiān)控功能。

端子板主要起到現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的中間連接，同時(shí)通過不同的接線方式將有源信號(hào)或者無源信號(hào)接入系統(tǒng)。

儀表防爆箱箱體本身采用不銹鋼或碳鋼材質(zhì)，整體焊接制作，可直接安裝在防爆區(qū)域?yàn)?區(qū)或者2區(qū)的裝置現(xiàn)場(chǎng)，配合遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，方便用戶在危險(xiǎn)場(chǎng)所中的應(yīng)用、維護(hù)工作。

2.2遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通訊

DCS采用的是霍尼韋爾的PKS(process knowledge systems，過程知識(shí)系統(tǒng))，由于遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)與DCS距離非常近(約200 m)，遠(yuǎn)小于1.2 km，而且裝置現(xiàn)場(chǎng)屬于防爆2區(qū)，所以無需段耦合器將遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)與DCS之間隔離。而具體的通訊實(shí)現(xiàn)是圖爾克遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)首先通過圖爾克遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的母板上的總線接口，接著通過PROFIBUS-DP總線電纜連接到霍尼韋爾的PKS的Profibus-DP通訊卡件上，最終傳遞到DCS中，通訊協(xié)議采用Profibus通訊協(xié)議。

2.3系統(tǒng)配置情況

硬件方面配置主要是在系統(tǒng)母板上有3個(gè)用來設(shè)定總線地址的十進(jìn)制旋鈕，項(xiàng)目設(shè)置的硬件地址為3。

軟件方面，首先在霍尼韋爾公司的PKS上安裝SYCON.NET的軟件，然后將圖爾克的GSD通訊文件拷貝到C:ProgramDataSYCONnetPROFIBUSGSD文件夾，在軟件上設(shè)置站地址為3，通訊是否冗余，設(shè)置通訊協(xié)議為Profibus-DP協(xié)議，通訊波特率為187.5 kbit/s，然后對(duì)卡件位置和數(shù)據(jù)類型、輸入還是輸出進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，最后設(shè)置儀表的位號(hào)、通道位置、儀表位號(hào)的描述，但是模擬量需要注意的一點(diǎn)是：因?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)是0～21 000的一個(gè)值，4～20 mA對(duì)應(yīng)4 000～20 000,需要設(shè)置增益和偏置才能對(duì)應(yīng)工程單位的數(shù)值，最后即可完成單點(diǎn)、通訊進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試工作。

3系統(tǒng)應(yīng)用

3.1儀表防爆箱的安裝

儀表防爆箱最好安裝在避光、避雨淋、避雷擊的場(chǎng)所，而且周圍無大功率的電氣設(shè)備，必要時(shí)可以給儀表箱正壓通風(fēng)，儀表防爆箱只能安裝在防爆1區(qū)或者2區(qū)內(nèi)。

3.2系統(tǒng)卡件的在線插拔

所有模塊均可在線插拔，不影響系統(tǒng)的正常工作，給系統(tǒng)的檢修及維護(hù)帶來極大的便利。但是電源模塊的接線端子為增安型儀表，不可以在線進(jìn)行檢修，檢修前需要在控制室內(nèi)完成斷電工作。

3.3Profibus通訊速率設(shè)置

通訊速率快，容易導(dǎo)致錯(cuò)誤率高，但是通訊速度慢，達(dá)不到裝置生產(chǎn)監(jiān)控的要求。根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，推薦187.5 kbit/s的速率。

3.4Profibus-DP通訊電纜鋪設(shè)

Profibus-DP通訊電纜鋪設(shè)時(shí)要避開大功率的電氣設(shè)備，以及強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，同時(shí)也要避開強(qiáng)電電纜，最好與4～20 mA的儀表保持一定的距離，在電纜橋架鋪設(shè)時(shí)有條件時(shí)最好穿在穿線管中，盡最大的可能避免強(qiáng)電、強(qiáng)電場(chǎng)的干擾。

4系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

4.1降低了設(shè)計(jì)強(qiáng)度

如果新建裝置采用傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)，則首先是現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)通過儀表電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)接線箱，儀表電纜再通過電纜橋架鋪設(shè)到機(jī)柜室的端子柜，然后再去安全柵或者繼電器柜，最后再去DCS的FTA端子柜。因此設(shè)計(jì)院在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)需要完成系統(tǒng)機(jī)柜、電纜橋架、安全柵、DCS的I/O卡件等儀表材料的選型、安裝的設(shè)計(jì)等多項(xiàng)工作。

采用圖爾克的遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)則可直接將系統(tǒng)安裝在裝置危險(xiǎn)1區(qū)或者2區(qū)內(nèi)，直接與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，再通過一根PROFIBUS-DP總線與控制器相連接即可。設(shè)計(jì)院在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，則不需要考慮系統(tǒng)柜、電纜橋架、安全柵、DCS系統(tǒng)I/O卡件的選型以及安裝等設(shè)計(jì)，不僅節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)院的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2節(jié)約儀表材料費(fèi)用

由于圖爾克遠(yuǎn)程的I/O系統(tǒng)可直接安裝在裝置危險(xiǎn)1區(qū)內(nèi)，與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，與控制系統(tǒng)使用一根PROFIBUS-DP總線連接即可。與常規(guī)的DCS控制方案比較，不需要購買中間端子柜、安全柵以及安全柵柜，同時(shí)還可以節(jié)約儀表電纜的使用、電纜橋架、DCS系統(tǒng)I/O卡件和DCS系統(tǒng)柜的購買，達(dá)到縮小控制室機(jī)柜間要求，通過此項(xiàng)改造僅電纜的費(fèi)用就比傳統(tǒng)方法節(jié)省了80%以上。

4.3縮短儀表的施工周期，節(jié)約施工費(fèi)用

由于圖爾克遠(yuǎn)程的I/O系統(tǒng)可直接安裝在裝置危險(xiǎn)1區(qū)或者2區(qū)內(nèi)，通過與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接的方式，與控制系統(tǒng)使用一根PROFIBUS-DP總線連接即可。與常規(guī)的DCS控制方案比較，無需對(duì)中間端子柜、安全柵、安全柵柜，DCS系統(tǒng)柜進(jìn)行安裝，同時(shí)也減少了很大一部分儀表電纜、儀表接線、電纜橋架的鋪設(shè)，節(jié)約了施工時(shí)間，同時(shí)系統(tǒng)組態(tài)非常方便，減少用工，節(jié)約施工費(fèi)用。

4.4系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)更加簡(jiǎn)單方便

如果是DCS系統(tǒng)擴(kuò)展，需要考慮機(jī)柜間有無中間端子柜、安全柵柜以及DCS系統(tǒng)柜的安裝控制，儀表備用電纜是否有空余，同時(shí)如果在線新增控制器和I/O卡件，需要DCS在線下裝，但在線下裝存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性。而采用遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，則無需考慮此因素。首先控制室不需為新增的遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)預(yù)留空間，只需在系統(tǒng)DP接口卡處理能力不足的情況下，為新增I/O站預(yù)留一個(gè)DP接口卡槽位。同時(shí)每一個(gè)DP網(wǎng)段允許連接127個(gè)I/O子站接點(diǎn)，因此新增的現(xiàn)場(chǎng)儀表——I/O子站可直接掛接在已有的網(wǎng)絡(luò)上，不需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行任何改動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)中無任何影響。

4.5遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的監(jiān)控范圍更廣

一般情況下，如若采用集散控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)儀表與DCS系統(tǒng)最遠(yuǎn)距離一般不超過600 m。如果現(xiàn)場(chǎng)與DCS距離超過600 m，只能通過新建一套DCS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。而遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的出現(xiàn)后，則可以不需要新增一套DCS系統(tǒng)。如果不采用光纖通訊，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)可以達(dá)到與控制室距離最大1.2 km，如果采用光纖通訊，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)可以與控制室的距離更遠(yuǎn)，可以達(dá)到2.5 km。

5結(jié)語

通過采用遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)后，不僅可以節(jié)省大量的電纜、安裝附件及相應(yīng)的人工費(fèi)用，僅電纜的費(fèi)用就比傳統(tǒng)方法節(jié)省了80%以上，同時(shí)還可以節(jié)省大量的DCS的I/O卡件，這就為更大范圍的儀表集中控制提供了強(qiáng)有力的保障。遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)不僅可以為企業(yè)節(jié)約大量的工程建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)還可以為更大范圍儀表的集中控制提供技術(shù)方案，減少企業(yè)勞動(dòng)人員的用工，提高企業(yè)的工作效率，最終提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]解懷仁,楊彬彥主編.石油化工儀表控制系統(tǒng)選用手冊(cè)[M].北京：中國石化出版社，2004.

Application of Remote Input/Output System in the Training Base of Instrumentation

Xu Jintao,Xu Weimin

(AromaticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)

ABSTRACT

Keywords：remote input/output (I/O) system,working principle,advantage,training base

收稿日期：2015-11-16。

作者簡(jiǎn)介：徐進(jìn)濤，男，1987年出生，2010年畢業(yè)于常州大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事于儀表管理工作，已發(fā)表論文4篇。

文章編號(hào)：1674-1099(2016)01-0054-04中圖分類號(hào)：TH862

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Regarding the Turck remote input/output (I/O) system,the structure,network constitution,working principle,and hardware configuration,actual communication mode and system configuration in the project were introduced.The application experiences and advantages of the system were summarized.It was concluded that the remote I/O system could save a large of construction costs for enterprises,and reduce employees,so as to improve the efficiency of enterprises.