在現(xiàn)代大型石油化工工廠中，DCS對(duì)工廠的自動(dòng)化、信息化和智能化起著重要的作用，作為DCS重要部分的輸入輸出(I/O)模塊，在技術(shù)和產(chǎn)品方面也在不斷迭代，呈現(xiàn)出新的特性。

常規(guī)DCS中，通常在I/O模塊上集成多個(gè)相同類型的I/O通道連接同類信號(hào)，I/O模塊均布置在控制室或機(jī)柜室的控制系統(tǒng)機(jī)柜中，現(xiàn)場(chǎng)控制儀表通過電纜將信號(hào)連接到DCS的I/O通道上。

隨著石油化工工廠的規(guī)模越來(lái)越大，智能化程度越來(lái)越高，信號(hào)數(shù)量越來(lái)越多，設(shè)計(jì)周期越來(lái)越短，采用常規(guī)單一功能的I/O模塊對(duì)于設(shè)計(jì)周期和系統(tǒng)交付造成了新的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)各行業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展需求，各DCS供應(yīng)商相繼推出了遠(yuǎn)程I/O技術(shù)的智能解決方案，I/O模塊從功能單一向通用化，集中部署向現(xiàn)場(chǎng)分布式部署轉(zhuǎn)變，可提高控制系統(tǒng)交付速度、降低施工成本、縮短項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間。目前，分布式通用I/O技術(shù)已經(jīng)顯示出大規(guī)模推廣應(yīng)用的趨勢(shì)。



1、通用I/O關(guān)鍵技術(shù)
常規(guī)I/O模塊的通道只支持某一類信號(hào)，大型石油化工工廠或裝置通常將I/O模塊統(tǒng)一布置于DCS的系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)，來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的儀表控制電纜按照信號(hào)類型接入相應(yīng)的儀表端子柜，再按照I/O模塊的通道數(shù)接入到系統(tǒng)機(jī)柜。隨著生產(chǎn)裝置控制系統(tǒng)規(guī)模的增加，應(yīng)用功能單一的I/O模塊機(jī)柜越來(lái)越多，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室占地面積越來(lái)越大，建設(shè)成本越來(lái)越高；大量機(jī)柜間接線，排查維護(hù)不便；在DCS采購(gòu)前需要確定每種類型信號(hào)的數(shù)量，DCS機(jī)柜設(shè)計(jì)、制造周期等。

通用I/O模塊的每個(gè)通道可通過軟件獨(dú)立設(shè)置信號(hào)類型，現(xiàn)場(chǎng)的不同信號(hào)可以接入到同一個(gè)I/O模塊中，大幅減少機(jī)柜的數(shù)量和類型，通過采用光纖通信節(jié)省大量控制電纜，提高了工程實(shí)施質(zhì)量。

1.1 支持信號(hào)類型完整性技術(shù)
石油化工裝置中的信號(hào)包括AI，AO，DI，DO，TC，RTD等，適用于石油化工行業(yè)的通用I/O必須同時(shí)支持所有信號(hào)類型，才能實(shí)現(xiàn)真正的通用。如對(duì)于AI信號(hào)，通用I/O模塊應(yīng)直接支持2線制、3線制，有源、無(wú)源等各種連接方式；對(duì)于DI信號(hào)，應(yīng)直接支持干觸點(diǎn)、繼電器隔離、NUMAR等各種模式。

1.2 高速信號(hào)采集技術(shù)
由于同時(shí)支持所有信號(hào)類型，通用I/O模塊的接口電路復(fù)雜度相應(yīng)增加，電路之間的相互干擾耦合也增加。受模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片發(fā)展水平以及抗工頻干擾要求的限制，常規(guī)I/O模塊的AI采樣周期通常需要50ms甚至200ms以上。為適應(yīng)石油化工裝置平穩(wěn)運(yùn)行的要求，多片數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)并行迭代采樣的方法被應(yīng)用到通用I/O模塊中，在通用I/O模塊的每個(gè)通道設(shè)置獨(dú)立的ADC，前端利用ADC進(jìn)行高速采樣，在后端使用可編程門陣列(FPGA)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行高速拼接和工頻濾波，實(shí)現(xiàn)10ms高速高精度AI采樣。

1.3 通道類型在線切換技術(shù)
通用I/O模塊是通過軟件定義通道類型的智能I/O模塊，很好地解決了裝置運(yùn)行過程中信號(hào)變更的問題。增加或變更I/O信號(hào)，只需要在軟件中對(duì)變更的通道進(jìn)行重新定義并下裝即可。與常規(guī)單功能I/O模塊一樣，通用I/O模塊也是多通道的。當(dāng)一個(gè)通道變更時(shí)，其他通道可能正處于工作狀態(tài)，這就要求控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通道級(jí)在線切換，在新組態(tài)下裝及組態(tài)切換過程中，未變更的信號(hào)通道不發(fā)生間斷和擾動(dòng)。

通用I/O模塊每個(gè)通道都支持多種功能，尤其是用做多個(gè)HART變量的AI/AO功能時(shí)，需占用內(nèi)存多。通過采用一種通道內(nèi)存索引分配的方法，確保未變更通道的內(nèi)存不變，實(shí)現(xiàn)通用I/O模塊的通道類型在線切換。

2、通用I/O分布式應(yīng)用技術(shù)
為降低儀表控制電纜的設(shè)計(jì)和施工成本，減少機(jī)柜數(shù)量和機(jī)柜間面積，將通用I/O模塊及相應(yīng)附件組成遠(yuǎn)程I/O接線箱，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分布式部署是一種可行的方案。

遠(yuǎn)程I/O接線箱可以盡可能近地布置到儀表附近，大幅減少電纜長(zhǎng)度。遠(yuǎn)程通用I/O模塊通過光纖數(shù)字總線與控制器進(jìn)行通信，獲取配置信息和輸出信號(hào)設(shè)定值，同時(shí)回傳模塊當(dāng)前狀態(tài)；通過與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間電流信號(hào)或開關(guān)信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)如閥門、定位器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。

2.1 防爆技術(shù)
石油化工生產(chǎn)裝置經(jīng)常存在爆炸危險(xiǎn)氣體，遠(yuǎn)程I/O接線箱在現(xiàn)場(chǎng)部署時(shí)必須滿足防爆和防護(hù)要求，獲得CCC強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證。具體要求如下：

①危險(xiǎn)區(qū)域適應(yīng)能力。石油化工現(xiàn)場(chǎng)裝置基本處于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)儀表，可能安裝于2區(qū)、1區(qū)，也可能安裝于0區(qū)；對(duì)于遠(yuǎn)程I/O接線箱，由于和現(xiàn)場(chǎng)儀表仍使用電纜連接，可以不具備在0區(qū)直接使用的能力，但至少應(yīng)可以在2區(qū)部署。

②防爆形式選擇。根據(jù)GB/T3836.1-2021《爆炸性環(huán)境第1部分:設(shè)備通用要求》規(guī)定，在2區(qū)危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)用的防爆電氣產(chǎn)品可以采用多種防爆形式。結(jié)合遠(yuǎn)程I/O接線箱技術(shù)原理和石油化工現(xiàn)場(chǎng)裝置特點(diǎn)，可采用多種防爆形式結(jié)合的方式。如220V配電箱使用隔爆型，遠(yuǎn)程I/O接線箱采用增安型，連接儀表的端口采用本安或者隔爆型。

2.2 冗余通信技術(shù)
現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程I/O接線箱和控制室的主控制器通過光纖數(shù)字總線交互數(shù)據(jù)。對(duì)于通用I/O模塊，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不僅包含4-20mA數(shù)據(jù)，還包含HART輔助變量數(shù)據(jù)，用于診斷、維護(hù)、管理的非周期命令等。

假設(shè)一對(duì)冗余的總線上需傳輸1000臺(tái)儀表的數(shù)據(jù)，加上HART變量數(shù)據(jù)，按照100ms的周期進(jìn)行刷新，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可能超過200KiB/s，需要占用2MiBit/s的總線帶寬，因此應(yīng)采用至少10MiBit/s傳輸能力的數(shù)字通道，如100/1000M的工業(yè)以太網(wǎng)。

在使用100M工業(yè)以太網(wǎng)的情況下，數(shù)字通信總線的平均負(fù)荷率低于2%，可滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)周期傳輸?shù)男枨螅€可滿足關(guān)鍵數(shù)據(jù)快速響應(yīng)的需求。

2.3 惡劣環(huán)境適應(yīng)性
鑒于遠(yuǎn)程I/O接線箱安裝于室外露天環(huán)境，需要適應(yīng)高溫、高濕、鹽霧、沙塵、雷擊、臺(tái)風(fēng)、暴雨等應(yīng)用條件。通過熱仿真軟件，對(duì)遠(yuǎn)程I/O接線箱進(jìn)行熱仿真建模，得到遠(yuǎn)程接線箱內(nèi)溫度分布，如圖1所示。


圖1 遠(yuǎn)程I/O接線箱溫度分布示意

通過熱仿真結(jié)果可知，遠(yuǎn)程I/O接線箱頂部溫升較高，主要原因是電源等發(fā)熱模塊部署于接線箱頂部，箱內(nèi)熱量積聚于頂部，無(wú)法快速散出，導(dǎo)致接線箱頂部出現(xiàn)高溫。建模仿真的同時(shí)搭建實(shí)際測(cè)試環(huán)境(環(huán)境溫度為38.4℃)，選擇接線箱頂部、左側(cè)底部，右側(cè)中部三個(gè)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1所列。

表1  不同測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方法下的溫度測(cè)試結(jié)果



遠(yuǎn)程I/O接線箱在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，應(yīng)安裝在橋架或有遮擋物的陰涼處，配置遮陽(yáng)棚等措施，降低遠(yuǎn)程I/O接線箱內(nèi)溫度。

3、通用I/O技術(shù)的工程應(yīng)用
通用I/O技術(shù)應(yīng)充分考慮石化裝置存在的高溫、高濕、雷擊、暴雨、腐蝕、振動(dòng)等惡劣環(huán)境條件。對(duì)比常規(guī)DCS的工程應(yīng)用，通用I/O技術(shù)的工程應(yīng)用積累和沉淀顯得尤其重要。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，可能會(huì)存在資料變更、工期緊張等情況，采用遠(yuǎn)程I/O方案，可以有效將工程建設(shè)和控制設(shè)計(jì)并行開展，有效推進(jìn)工程的實(shí)施。同時(shí)，與傳統(tǒng)I/O模塊方案相比，采用遠(yuǎn)程I/O模塊可以根據(jù)總點(diǎn)數(shù)進(jìn)行備用點(diǎn)預(yù)留，可有效減少備用模塊數(shù)量。

遠(yuǎn)程I/O技術(shù)應(yīng)用上相較于常規(guī)DCS的I/O技術(shù)有著不同的優(yōu)勢(shì)，在工程設(shè)計(jì)中需要關(guān)注組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、供電與接地、環(huán)境適應(yīng)性等。

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程I/O模塊支持靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的集中程度，提供優(yōu)化組網(wǎng)方案。為保證安全性、可靠性，優(yōu)先選擇交換機(jī)星型拓?fù)浣M網(wǎng)方案。

遠(yuǎn)程I/O接線箱通過光纖接入DCS控制網(wǎng)絡(luò)，確保通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與可用性，應(yīng)采用冗余架構(gòu)；遠(yuǎn)程I/O接線箱的通信光纜、交換機(jī)應(yīng)采用冗余架構(gòu)設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。


圖2 遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

3.2 供電與接地設(shè)計(jì)
供電設(shè)計(jì)應(yīng)符合SH/T3082-2019《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，需考慮遠(yuǎn)程I/O接線箱安裝位置的設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程I/O接線箱電源宜采用雙路冗余的交流220V UPS電源，兩路供電電纜相互獨(dú)立。在遠(yuǎn)程I/O接線箱附近配置獨(dú)立的防爆配電箱，安裝現(xiàn)場(chǎng)空氣開關(guān)及電涌保護(hù)器，應(yīng)帶有在外部可操作空開的撥桿或旋鈕。遠(yuǎn)程I/O接線箱接地應(yīng)符合SH/T3081-2019《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。接線箱內(nèi)設(shè)置工作地、保護(hù)地2個(gè)接地銅排，分別接至裝置現(xiàn)場(chǎng)等電位接地網(wǎng)。遠(yuǎn)程配電箱配電方案如圖3所示。


圖3 遠(yuǎn)程配電箱配電方案示意

4、分布式通用I/O在某煉化廠的應(yīng)用
某石油化工廠公用工程單元，各類儀表I/O點(diǎn)約400點(diǎn)，單元界區(qū)至相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室約1km，共設(shè)計(jì)5臺(tái)遠(yuǎn)程I/O接線箱，位于不同的安裝地點(diǎn)，采用單模光纜星型連接方案，DCS控制器安裝在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室內(nèi)；確保遠(yuǎn)程I/O接線箱避免箱體正面向陽(yáng)安裝。接線箱安裝方位如圖4所示。


圖4 接線箱安裝方位示意

該項(xiàng)目采用遠(yuǎn)程I/O技術(shù)之后，減少了建設(shè)成本及維護(hù)成本，其中，主項(xiàng)單元采用常規(guī)DCSI/O與遠(yuǎn)程I/O對(duì)比見表2所列。

表2 常規(guī)DCSI/O與遠(yuǎn)程I/O對(duì)比


 5、結(jié)束語(yǔ)
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，遠(yuǎn)程I/O技術(shù)具有數(shù)字化、集成化、通用化、支持遠(yuǎn)程部署的特點(diǎn)，減少機(jī)柜間接線與交叉布線，節(jié)約工程控制電纜與橋架數(shù)量，縮短設(shè)計(jì)與建設(shè)周期，減少全生命周期成本。

遠(yuǎn)程I/O技術(shù)將有更為廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用與研發(fā)過程中應(yīng)高度關(guān)注嚴(yán)苛環(huán)境條件下長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定使用，盡可能降低遠(yuǎn)程I/O技術(shù)的復(fù)雜度和成本，提升整體安全性、可靠性、可維護(hù)性，持續(xù)迭代發(fā)展。

作者：李成凱，范宗海，張曉剛，鐘珅，王國(guó)慶

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