遠程輸入/輸出系統在儀表實訓基地的應用

徐進濤　徐衛敏

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海200540)

?

遠程輸入/輸出系統在儀表實訓基地的應用

徐進濤徐衛敏

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海200540)

摘要：介紹了圖爾克遠程輸入/輸出(I/O)系統的結構、網絡構成、工作原理、項目中遠程I/O系統的硬件配置、項目中實際通訊方式和系統的組態配置，并對系統應用經驗和優勢進行歸納和總結，認為遠程I/O系統可以為企業節約大量的工程建設費用，減少企業用工，提高企業的工作效率。

關鍵詞：遠程輸入/輸出系統工作原理優勢實訓基地

石化企業采用集散控制系統(DCS)時，所需儀表電纜和設備較多，在項目建設費用中所占比例不容小視。隨著工業自動化水平的不斷提高，各類新技術及新設備接連不斷地產生，現場總線技術也不斷成熟，圖爾克遠程輸入/輸出(I/O)系統由此產生。采用遠程I/O系統后，現場的各類儀表只需通過儀表電纜與I/O系統的I/O設備接口點對點的連接，信號進入系統后即被I/O模塊轉換為數字信號，再經過系統內部總線傳送到網關，然后由網關將信號傳送到上一層的開放總線上，最后經開放總線到達DCS或者可編程邏輯控制器(PLC)系統。現場總線技術發展迅速，尤其是在工業過程控制領域，產品日趨完善，并得到了廣泛的應用。目前，全世界已安裝的系統超過1 800套，已安裝的現場設備超過4萬臺，其中，在中國已安裝系統超過100套，現場設備超過4 000套[1]。

某煉化企業于2014年開始新建儀表實訓基地，主要包括現場儀表演示室、儀表校驗室、組合式過程控制實訓室、PLC系統實訓室、控制系統與過程控制實訓室。在控制系統與過程控制實訓室的建設中，引入近年來發展非常迅速的圖爾克遠程I/O系統，在此對I/O系統的特點和配置等進行介紹。

1圖爾克遠程I/O系統介紹

1.1系統結構

圖爾克遠程I/O系統由系統母板、冗余的電源模塊、冗余的網關模塊、各種I/O卡件組成，遠程I/O系統通過總線接口與DCS、PLC系統通訊。單個遠程I/O系統對于開關量信號采集周期小于5 ms，對于模擬量信號采集周期小于20 ms，同時系統具備卡件故障指示功能，儀表回路出現開路或者短路檢測功能。

所有的模塊均可在線插拔而不會中斷系統正常的數據通訊，網關和電源模塊在系統冗余配置的情況下才允許進行熱插拔。

1.2系統網絡構成

如果遠程I/O系統與DCS/PLC系統之間的距離小于1.2 km，則遠程I/O系統只需要通過Profibus-DP電纜與控制室內的段耦合器相連，然后再連接DCS/PLC系統。

如果遠程I/O系統與DCS/PLC系統距離大于1.2 km，則需要使用光纖連接的方式，遠程I/O系統首先通過Profibus-DP電纜連接到現場側的光纖耦合器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系統上。

1.3工作原理

現場的各類儀表通過儀表電纜與圖爾克遠程I/O系統的I/O設備接口實現點對點的連接，信號進入系統后即被I/O模塊轉換為數字信號，再經過系統內部總線傳送到網關，然后由網關將信號傳送到上一層的開放總線上去，最后經開放總線到達控制系統(DCS/PLC)。由控制系統發出的信號則經過相反的路徑進行傳輸，整個遠程I/O系統的供電由系統母板上連接的電源模塊提供。

2項目情況

2.1遠程I/O系統儀表配置

圖爾克總線式本安遠程I/O系統硬件配置清單介紹請見表1所述。

表1　系統硬件配置清單

項目采用MT18-R024型號的母板，母板的左側上方留有安裝兩個電源模塊和兩個網關模塊的接口，在接口的下方分別對應著用來連接外部供電電源的采用增安保護形式的接口和用來設定總線地址的3個十進制旋鈕，及用來連接外部上層現場總線的總線接口。在母板上方，網關接口的右側是各種I/O模塊的連接接口，母板內部通過冗余的內總線將這些接口連接起來。各I/O模塊的電源供應是通過母板內的供電系統來完成的。在各I/O模塊接口的下方，對應著用來連接現場設備的I/O設備接口，來自現場設備的信號線通過可插拔的接線端子與之進行簡單的連接。母板最多可以連接16路I/O模塊，2個電源模塊，最多可連接128個開關量或者64個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。供電系統綜合運用了密封式、增安型和本質安全型3種防爆方法，再加上電源冗余配置，確保了電源系統的絕對安全，而且電源最大輸出功率為60 W。

電源濾波器用于改善啟動特性，增加操作穩定性的電容器，采用電源濾波器主要用于對外部直流電源中交流部分的過濾，確保電源模塊的供電質量要求。其中網關模塊用于將I/O系統與上層的現場總線網絡相連，冗余配置的網關可以確保數據傳輸的高可靠性。網關最大的數據傳輸速率為1.5 MB/s，它是通過位于母板上的標準的小型D-SUB接插件而不是直接與上層的現場總線相連，這就可以保證插拔網關時不會中斷總線的通訊。

圖爾克遠程I/O系統的I/O模塊包括數字量的輸入和輸出模塊、模擬量的輸入和輸出模塊(支持HART協議信號的傳輸)、溫度(熱電阻或熱電偶)輸入信號處理模塊三大類共8種。其中本項目采用的AI40EX模擬量輸入模塊主要用于連接本質安全型的4路2線制變送器，而且現場的模擬信號為無源信號，卡件可以實現輸入回路的短路和斷路監控功能。AOI40EX模擬量輸出模塊可以最多連接4個4～20 mA的本安執行器，同時也可以對每個通道的短路及斷路進行監控；DI40EX數字量輸入模塊用于連接NAMUR傳感器和機械觸點的模塊，可以連接4個NAMUR接近開關或者接線觸點，同時也可以對輸入回路的短路和斷路進行監控；DO40EX數字量輸出模塊用于連接4個本質安全執行器，如低功率的電磁閥或者指示器，也具有短路和斷路監控功能；TI40EX用于溫度信號檢測的輸入模塊，可以檢測電壓或者電阻信號，可以連接2、3、4線制的熱電阻或者熱電偶儀表，整個卡件可連接4路溫度信號，同時也具有輸入回路的短路、斷路監控功能。

端子板主要起到現場儀表與遠程I/O系統的中間連接，同時通過不同的接線方式將有源信號或者無源信號接入系統。

儀表防爆箱箱體本身采用不銹鋼或碳鋼材質，整體焊接制作，可直接安裝在防爆區域為1區或者2區的裝置現場，配合遠程I/O系統，方便用戶在危險場所中的應用、維護工作。

2.2遠程I/O系統與DCS系統通訊

DCS采用的是霍尼韋爾的PKS(process knowledge systems，過程知識系統)，由于遠程I/O系統與DCS距離非常近(約200 m)，遠小于1.2 km，而且裝置現場屬于防爆2區，所以無需段耦合器將遠程I/O系統與DCS之間隔離。而具體的通訊實現是圖爾克遠程I/O系統中的數據首先通過圖爾克遠程I/O系統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，通訊協議采用Profibus通訊協議。

2.3系統配置情況

硬件方面配置主要是在系統母板上有3個用來設定總線地址的十進制旋鈕，項目設置的硬件地址為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，在軟件上設置站地址為3，通訊是否冗余，設置通訊協議為Profibus-DP協議，通訊波特率為187.5 kbit/s，然后對卡件位置和數據類型、輸入還是輸出進行組態設置，最后設置儀表的位號、通道位置、儀表位號的描述，但是模擬量需要注意的一點是：因為傳輸的數據是0～21 000的一個值，4～20 mA對應4 000～20 000,需要設置增益和偏置才能對應工程單位的數值，最后即可完成單點、通訊進行測試和調試工作。

3系統應用

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、避雷擊的場所，而且周圍無大功率的電氣設備，必要時可以給儀表箱正壓通風，儀表防爆箱只能安裝在防爆1區或者2區內。

3.2系統卡件的在線插拔

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

3.3Profibus通訊速率設置

通訊速率快，容易導致錯誤率高，但是通訊速度慢，達不到裝置生產監控的要求。根據項目經驗，推薦187.5 kbit/s的速率。

3.4Profibus-DP通訊電纜鋪設

Profibus-DP通訊電纜鋪設時要避開大功率的電氣設備，以及強磁場區域，同時也要避開強電電纜，最好與4～20 mA的儀表保持一定的距離，在電纜橋架鋪設時有條件時最好穿在穿線管中，盡最大的可能避免強電、強電場的干擾。

4系統優勢

4.1降低了設計強度

如果新建裝置采用傳統的DCS控制系統，則首先是現場儀表信號通過儀表電纜連接到現場接線箱，儀表電纜再通過電纜橋架鋪設到機柜室的端子柜，然后再去安全柵或者繼電器柜，最后再去DCS的FTA端子柜。因此設計院在項目設計時需要完成系統機柜、電纜橋架、安全柵、DCS的I/O卡件等儀表材料的選型、安裝的設計等多項工作。

采用圖爾克的遠程I/O系統則可直接將系統安裝在裝置危險1區或者2區內，直接與傳統現場儀表實現點對點的連接，再通過一根PROFIBUS-DP總線與控制器相連接即可。設計院在項目設計時，則不需要考慮系統柜、電纜橋架、安全柵、DCS系統I/O卡件的選型以及安裝等設計，不僅節約了設計時間，同時也降低了設計院的勞動強度。

4.2節約儀表材料費用

由于圖爾克遠程的I/O系統可直接安裝在裝置危險1區內，與傳統現場儀表實現點對點的連接，與控制系統使用一根PROFIBUS-DP總線連接即可。與常規的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，同時還可以節約儀表電纜的使用、電纜橋架、DCS系統I/O卡件和DCS系統柜的購買，達到縮小控制室機柜間要求，通過此項改造僅電纜的費用就比傳統方法節省了80%以上。

4.3縮短儀表的施工周期，節約施工費用

由于圖爾克遠程的I/O系統可直接安裝在裝置危險1區或者2區內，通過與傳統現場儀表實現點對點的連接的方式，與控制系統使用一根PROFIBUS-DP總線連接即可。與常規的DCS控制方案比較，無需對中間端子柜、安全柵、安全柵柜，DCS系統柜進行安裝，同時也減少了很大一部分儀表電纜、儀表接線、電纜橋架的鋪設，節約了施工時間，同時系統組態非常方便，減少用工，節約施工費用。

4.4系統擴展和升級更加簡單方便

如果是DCS系統擴展，需要考慮機柜間有無中間端子柜、安全柵柜以及DCS系統柜的安裝控制，儀表備用電纜是否有空余，同時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險性。而采用遠程I/O系統，則無需考慮此因素。首先控制室不需為新增的遠程I/O系統預留空間，只需在系統DP接口卡處理能力不足的情況下，為新增I/O站預留一個DP接口卡槽位。同時每一個DP網段允許連接127個I/O子站接點，因此新增的現場儀表——I/O子站可直接掛接在已有的網絡上，不需對控制系統進行任何改動，對系統中無任何影響。

4.5遠程I/O系統的監控范圍更廣

一般情況下，如若采用集散控制系統，現場儀表與DCS系統最遠距離一般不超過600 m。如果現場與DCS距離超過600 m，只能通過新建一套DCS系統來實現。而遠程I/O系統的出現后，則可以不需要新增一套DCS系統。如果不采用光纖通訊，遠程I/O系統可以達到與控制室距離最大1.2 km，如果采用光纖通訊，遠程I/O系統可以與控制室的距離更遠，可以達到2.5 km。

5結語

通過采用遠程I/O系統后，不僅可以節省大量的電纜、安裝附件及相應的人工費用，僅電纜的費用就比傳統方法節省了80%以上，同時還可以節省大量的DCS的I/O卡件，這就為更大范圍的儀表集中控制提供了強有力的保障。遠程I/O系統不僅可以為企業節約大量的工程建設費用，同時還可以為更大范圍儀表的集中控制提供技術方案，減少企業勞動人員的用工，提高企業的工作效率，最終提高企業的經濟效益。

參考文獻

[1]解懷仁,楊彬彥主編.石油化工儀表控制系統選用手冊[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。

作者簡介：徐進濤，男，1987年出生，2010年畢業于常州大學自動化專業，工學學士，工程師，主要從事于儀表管理工作，已發表論文4篇。

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

文獻標識碼：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.