遠程I/O架構在精細化工裝置中的應用

張亦林(北京沃利帕森工程技術有限公司，北京 100015)

遠程I/O架構在精細化工裝置中的應用

張亦林
(北京沃利帕森工程技術有限公司，北京 100015)

遠程I/O將傳統的分散型控制系統的數據處理和控制功能轉移到現場設備附近，使得現場信號就近得到處理，減少了干擾信號，提高了系統穩定性和測量精度，在實現分散控制功能的基礎上，真正實現了物理分散。結合精細化工生產裝置探討遠程I/O系統架構的技術特點以及項目的具體實施。分析了遠程I/O在防爆與非防爆區中應用以及防爆通信與非防爆通信的連接方式。

網絡技術 分散控制系統 精細化工

精細化工生產具有品種多，更新換代快，產量小，間歇式生產的特點。高吸水性聚合物是一種由丙烯酸—丙烯酸鈉—聚合物交聯而成的粉末，能夠吸收相當于自身質量幾十倍或者數百倍的水或水性溶液，該超級吸收劑主要應用于衛生領域。由于該裝置的產品為衛生級的民用產品，因而生產廠房要求為緊湊的室內潔凈廠房。

該生產裝置工藝特點： 由于屬于精細化工裝置，粉體設備多，轉動包設備多，開車后工藝變化較頻繁，小改造很多。在此情況下，如果使用傳統的DCS架構，勢必給今后的改擴建和新產品的研發試驗造成一定的困難。Remote-I/O的DCS架構給醫藥、精細化工等企業在進行升級改造或者研發新產品時，提供了可靠的實現方法和靈活性。

1 Remote-I/O的特點及其性能

1) 物理分散性好。Remote-I/O安裝于現場設備附近，使大量的分散信號可就地完成A/D，D/A轉換，在實現功能分散的基礎上，真正實現了物理分散。

2) 可靠性和測控精度高。傳統DCS信號必須經過較長的電纜引到本地控制室的I/O機柜，因而也帶入了較大的干擾。采用遠程I/O實現信號就近處理后，信號引入電纜縮短，引入的干擾相應減小。與傳統DCS相比，在大幅提高穩定性和測量精度的同時，減少了模件的損壞率。Remote-I/O通信網絡采用Profibus總線，網絡總線與設備之間均有嚴格的電氣隔離措施；同時采用分散供電的Remote-I/O系統比集中供電的遠程I/O系統可靠性更高。

3) 主機負荷大幅減小。Remote-I/O系統的智能化程度高，對數據的處理能力強，并且所有的Remote-I/O口均有Remote-I/O站進行管理，大幅減輕了主機的負擔，便于進行功能擴展和實現高級控制與管理，提高了主機從事高級運算處理的速度。

4) 應用特點。現場儀表仍可以采用傳統4～20 mA本安儀表，以點對點的接線方式接至分布式I/O，而分布式I/O向主機的信號則以Profibus-DP總線方式傳輸。Remote-I/O系統將傳統4～20 mA信號與現場總線相結合，與全廠總線方式相比，節省了現場儀表的成本。分布式I/O是為了解決遠距離通信而發展起來的區別于集中式控制的一種I/O系統。分布式I/O適用于距離遠，對數據可靠性要求較高的應用領域。

2 項目方案實施

2.1項目概況

該裝置的主生產廠房為鋼筋混凝土結構，共7層。根據現場實際情況，每層均設置了Remote-I/O機柜，原則上每層的儀表點只連接到該層的Remote-I/O機柜。由于生產廠房為潔凈廠房，Remote-I/O機柜的防護等級選用IP54。

2.2系統架構

2.2.1組成方案

該項目采用的是傳統4～20 mA信號與現場總線相結合的系統架構。現場儀表至Remote-I/O使用4～20m A+HART信號，在每個分布式I/O柜中分別安裝1對冗余的Prifibus-DP通信卡，負責將Remote-I/O中的數據傳輸到上位機的CPU中進行運算與處理。Profibus總線傳輸速度可在9.6 Kbit/s～12 Mbit/s內選擇，特別適合用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。按照PCS7的系統規則，一套PCS控制系統要由以下幾部分組成：

1) 主自動化站。主自動化站通常位于機柜間內，負責數據的計算與程序的處理。由電源(PS)，中央處理單元(CPU)，通信處理器(CP)和輸入/輸出模塊組成。主自動化站通過系統總線與工程師站或操作站服務器以及下位機進行通信。

2) Remote-I/O站。1個Remote-I/O站由1個密封電源、1個用于連接Profibus-DP的接口模塊(可擴展32塊電子模塊)和1個總線終端電阻模塊組成。其電源和接口模塊均可進行冗余配置，本安類型的模塊化I/O卡可為用戶提供最大限度的靈活性，可以連接NAMUR數字量輸入、電磁閥、模擬量輸入/輸出、HART輸入/輸出、熱電偶以及熱電阻等。現場的儀表通過4～20 mA信號線接至相應的I/O卡件。

3) 工程師站/操作站。工程師站安裝有PCS7組態工具，可以和自動化站和操作員站進行通信，用于實現工廠控制的編程和組態以及日常的生產操作。

4) PCS7 Remote-I/O系統典型架構如圖1所示。

圖1 PCS7系統典型架構示意

2.2.2防爆問題的處理

由于高級吸水聚合物裝置既存在爆炸危險2區，又存在安全區，因而在裝置的Remote-I/O分為兩種： 用于位于安全區內的儀表，該遠程機柜為非本安類型；用于位于危險區內的儀表，遠程機柜為本安類型。兩者的區別主要是機柜里的I/O卡件不一樣，本安類型的Remote-I/O卡件為集成安全柵的一體化本安卡件。如果現場儀表位于危險區內，本質安全型儀表對應接入Remote-I/O機柜中的本安I/O卡件上，從而構成本安回路。

同理，該項目使用的通信協議Prifibus-DP也分為非本安和本安兩種類型。兩種總線在現場是嚴格獨立、不能串接的，本安類型的Prifibus-DP總線需使用RS-485-iS耦合器進行屏障后接入到Profibus-DP網段。

2.2.3包設備與DCS的通信

該項目包含獨立成套的包設備PLC共21套，均要求與DCS進行通信。為了防止通信數據量太大造成網絡堵塞，技術人員決定包設備使用1個獨立的以太網網段進行通信和管理，通信協議采用Ethernet S7協議，每個包設備的Ethernet通信電纜接至機柜間的交換機后與整個DCS網絡進行通信。為保證信號傳輸質量，通信電纜均使用光纜。因此，在機柜內增加了帶光電轉換模塊的以太網卡。

2.2.4通信電纜的連接

從每個Remote-I/O柜到DCS主機通過Profibus-DP通信，為保證通信的安全可靠，通信卡件均采用冗余配置，同一層如果存在多個Remote-I/O機柜時，使用銅線進行Prifibus-DP通信電纜的串接，將本層的同類型Remote-I/O機柜串接在一起，然后在最接近主橋架的1個Remote-I/O機柜中轉換為光纜并接至控制室，以提高抗電磁干擾的能力。

2.2.5接地與供電

出于安全考慮，每個Remote-I/O均按1∶1配置了冗余的供電電源： 一路由市電供電，另一路由UPS供電，分別接至兩個獨立電源上。

Remote-I/O與傳統的DCS接地不一樣，傳統的DCS、現場儀表均接至DCS I/O卡件，由DCS匯總后在機柜間統一做儀表工作接地。采用Remote-I/O架構后，由于每個Remote-I/O機柜里均安裝有儀表工作電源，因而所有的Remote-I/O機柜均需要做儀表工作接地和保護接地，即在現場生產廠房的每一層靠近Remote-I/O機柜處均設置了儀表接地匯總排，從每個Remote-I/O機柜引出1條儀表工作接地線和1條保護接地線分別接至工作接地匯總排和保護接地匯總排，再從接地匯總排引出至主槽板內敷設的2條主工作接地線和主儀表保護接地線上，進而引入控制室做接地。

3 結束語

Remote-I/O已經廣泛地應用在熱工、醫藥、精細化工等過程領域，Remote-I/O架構有以下優點：

1) 由于減少了電纜和控制系統I/O卡的使用量，從而可節省系統的硬件成本。

2) 本安分布式I/O集成本安電路比原來I/O卡加安全柵的成本低，而且結構簡單緊湊、占用控制柜空間小，能使成本大幅降低。

3) 由于本安分布式I/O可以直接安裝應用在危險區，減少了電纜鋪設和接線的工作量，從而可降低工程的施工費用。

4) 集成的總線鏈接器代替過去密集、冗長的電纜，能夠明顯加快安裝調試過程。

5) 由于分布式I/O模塊智能化程度較高，更方便用戶的使用和維護。

6) 從控制室到現場本安分布式I/O之間只有一條總線，不容易發生故障并簡化維護。

本安防爆Remote-I/O模塊的使用，完全適合精細化工潔凈廠房的環境要求： 安全防爆、布線簡潔、易于清潔。控制系統通過Profibus-DP現場總線將模擬、數字信號控制，安全防爆操作顯示，過程信息管理等諸多功能統一，減少了故障點，提高了系統整體性能。

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臺達控制技術增色2013華南電子包裝展

臺達在2013華南國際電子組裝及包裝技術展覽會(簡稱2013華南電子包裝展)上展示了其在自動化領域的創新技術和成果。

臺達自動化產品先進可靠，自動化整體解決方案經濟適用，是受國內工業用戶信賴的華人品牌。本次展會上，臺達應電子制造企業的組裝生產需求，重點展出了AH500中型模塊化PLC在電子組裝及包裝行業的經典應用和DMV高速視覺解決方案的動態演示系統，另有NC300數控系統、APF2000系列有源電力濾波器、三機一體ASDA-M系列高性能伺服等創新產品。(中達電通股份有限公司)

ApplicationofRemote-I/OinFineChemicalPlant

Zhang Yilin

(Worleyparsons (China) Engineering Co. Ltd., Beijing，100015, China)

Remote-I/O has transferred the function of data processing and control in traditional distributed control system to on-site equipment, which makes the data processed around the site, the influence of interfering signal reduced, and the system stability and measurement accuracy improved. Based on the realization of function of distributed control, the physical separation is realized. Combining the fine chemical production unit, the technical characteristics of remote-I/O system frame and the detailed implementation of the project are discussed. The application of remote I/O frame in explosion-proof and non-explosion-proof areas, as well as the connection means between explosion-proof communication and non-explosion-proof communication is discussed.

network technology；distributed control systems；fine chemical

稿件收到日期：2013-03-25，修改稿收到日期2013-06-20。

張亦林，2003年畢業于北京化工大學自動化專業，獲工程碩士學位，現就職于北京沃利帕森工程技術有限公司，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2013)05-0040-03