在現(xiàn)代大型石油化工工廠中，DCS對工廠的自動化、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模塊上集成多個相同類型的I/O通道連接同類信號，I/O模塊均布置在控制室或機柜室的控制系統(tǒng)機柜中，現(xiàn)場控制儀表通過電纜將信號連接到DCS的I/O通道上。
隨著石油化工工廠的規(guī)模越來越大，智能化程度越來越高，信號數(shù)量越來越多，設計周期越來越短，采用常規(guī)單一功能的I/O模塊對于設計周期和系統(tǒng)交付造成了新的挑戰(zhàn)。為適應各行業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展需求，各DCS供應商相繼推出了遠程I/O技術的智能解決方案，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、縮短項目建設時間。目前，分布式通用I/O技術已經(jīng)顯示出大規(guī)模推廣應用的趨勢。
1、通用I/O關鍵技術
常規(guī)I/O模塊的通道只支持某一類信號，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)機柜內(nèi)，來自現(xiàn)場的儀表控制電纜按照信號類型接入相應的儀表端子柜，再按照I/O模塊的通道數(shù)接入到系統(tǒng)機柜。隨著生產(chǎn)裝置控制系統(tǒng)規(guī)模的增加，應用功能單一的I/O模塊機柜越來越多，現(xiàn)場機柜室占地面積越來越大，建設成本越來越高；大量機柜間接線，排查維護不便；在DCS采購前需要確定每種類型信號的數(shù)量，DCS機柜設計、制造周期等。
通用I/O模塊的每個通道可通過軟件獨立設置信號類型，現(xiàn)場的不同信號可以接入到同一個I/O模塊中，大幅減少機柜的數(shù)量和類型，通過采用光纖通信節(jié)省大量控制電纜，提高了工程實施質(zhì)量。
1.1 支持信號類型完整性技術
石油化工裝置中的信號包括AI，AO，DI，DO，TC，RTD等，適用于石油化工行業(yè)的通用I/O必須同時支持所有信號類型，才能實現(xiàn)真正的通用。如對于AI信號，通用I/O模塊應直接支持2線制、3線制，有源、無源等各種連接方式；對于DI信號，應直接支持干觸點、繼電器隔離、NUMAR等各種模式。
1.2 高速信號采集技術
由于同時支持所有信號類型，通用I/O模塊的接口電路復雜度相應增加，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。為適應石油化工裝置平穩(wěn)運行的要求，多片數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)并行迭代采樣的方法被應用到通用I/O模塊中，在通用I/O模塊的每個通道設置獨立的ADC，前端利用ADC進行高速采樣，在后端使用可編程門陣列(FPGA)對采樣數(shù)據(jù)進行高速拼接和工頻濾波，實現(xiàn)10ms高速高精度AI采樣。
1.3 通道類型在線切換技術
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行過程中信號變更的問題。增加或變更I/O信號，只需要在軟件中對變更的通道進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。當一個通道變更時，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，未變更的信號通道不發(fā)生間斷和擾動。
通用I/O模塊每個通道都支持多種功能，尤其是用做多個HART變量的AI/AO功能時，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分布式應用技術
為降低儀表控制電纜的設計和施工成本，減少機柜數(shù)量和機柜間面積，將通用I/O模塊及相應附件組成遠程I/O接線箱，并進行現(xiàn)場分布式部署是一種可行的方案。
遠程I/O接線箱可以盡可能近地布置到儀表附近，大幅減少電纜長度。遠程通用I/O模塊通過光纖數(shù)字總線與控制器進行通信，獲取配置信息和輸出信號設定值，同時回傳模塊當前狀態(tài)；通過與現(xiàn)場設備之間電流信號或開關信號的傳輸，實現(xiàn)如閥門、定位器等現(xiàn)場設備的控制。
2.1 防爆技術
石油化工生產(chǎn)裝置經(jīng)常存在爆炸危險氣體，遠程I/O接線箱在現(xiàn)場部署時必須滿足防爆和防護要求，獲得CCC強制性產(chǎn)品認證。具體要求如下：
①危險區(qū)域適應能力。石油化工現(xiàn)場裝置基本處于爆炸危險環(huán)境中，對于現(xiàn)場儀表，可能安裝于2區(qū)、1區(qū)，也可能安裝于0區(qū)；對于遠程I/O接線箱，由于和現(xiàn)場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:設備通用要求》規(guī)定，在2區(qū)危險區(qū)應用的防爆電氣產(chǎn)品可以采用多種防爆形式。結合遠程I/O接線箱技術原理和石油化工現(xiàn)場裝置特點，可采用多種防爆形式結合的方式。如220V配電箱使用隔爆型，遠程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
現(xiàn)場的遠程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、管理的非周期命令等。
假設一對冗余的總線上需傳輸1000臺儀表的數(shù)據(jù)，加上HART變量數(shù)據(jù)，按照100ms的周期進行刷新，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€可滿足關鍵數(shù)據(jù)快速響應的需求。
2.3 惡劣環(huán)境適應性
鑒于遠程I/O接線箱安裝于室外露天環(huán)境，需要適應高溫、高濕、鹽霧、沙塵、雷擊、臺風、暴雨等應用條件。通過熱仿真軟件，對遠程I/O接線箱進行熱仿真建模，得到遠程接線箱內(nèi)溫度分布，如圖1所示。
圖1 遠程I/O接線箱溫度分布示意
通過熱仿真結果可知，遠程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，無法快速散出，導致接線箱頂部出現(xiàn)高溫。建模仿真的同時搭建實際測試環(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)中部三個區(qū)域進行現(xiàn)場運行測試，測試結果見表1所列。
表1 不同測試環(huán)境和測試方法下的溫度測試結果
遠程I/O接線箱在現(xiàn)場安裝時，應安裝在橋架或有遮擋物的陰涼處，配置遮陽棚等措施，降低遠程I/O接線箱內(nèi)溫度。
3、通用I/O技術的工程應用
通用I/O技術應充分考慮石化裝置存在的高溫、高濕、雷擊、暴雨、腐蝕、振動等惡劣環(huán)境條件。對比常規(guī)DCS的工程應用，通用I/O技術的工程應用積累和沉淀顯得尤其重要。
項目設計過程中，可能會存在資料變更、工期緊張等情況，采用遠程I/O方案，可以有效將工程建設和控制設計并行開展，有效推進工程的實施。同時，與傳統(tǒng)I/O模塊方案相比，采用遠程I/O模塊可以根據(jù)總點數(shù)進行備用點預留，可有效減少備用模塊數(shù)量。
遠程I/O技術應用上相較于常規(guī)DCS的I/O技術有著不同的優(yōu)勢，在工程設計中需要關注組網(wǎng)架構設計、供電與接地、環(huán)境適應性等。
3.1 網(wǎng)絡結構設計
遠程I/O模塊支持靈活的網(wǎng)絡架構，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、現(xiàn)場信號的集中程度，提供優(yōu)化組網(wǎng)方案。為保證安全性、可靠性，優(yōu)先選擇交換機星型拓撲組網(wǎng)方案。
遠程I/O接線箱通過光纖接入DCS控制網(wǎng)絡，確保通信網(wǎng)絡的可靠性與可用性，應采用冗余架構；遠程I/O接線箱的通信光纜、交換機應采用冗余架構設計。遠程I/O系統(tǒng)網(wǎng)絡架構如圖2所示。
圖2 遠程I/O系統(tǒng)網(wǎng)絡架構示意
3.2 供電與接地設計
供電設計應符合SH/T3082-2019《石油化工儀表供電設計規(guī)范》的規(guī)定，需考慮遠程I/O接線箱安裝位置的設計。遠程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立。在遠程I/O接線箱附近配置獨立的防爆配電箱，安裝現(xiàn)場空氣開關及電涌保護器，應帶有在外部可操作空開的撥桿或旋鈕。遠程I/O接線箱接地應符合SH/T3081-2019《石油化工儀表接地設計規(guī)范》的規(guī)定。接線箱內(nèi)設置工作地、保護地2個接地銅排，分別接至裝置現(xiàn)場等電位接地網(wǎng)。遠程配電箱配電方案如圖3所示。
圖3 遠程配電箱配電方案示意
4、分布式通用I/O在某煉化廠的應用
某石油化工廠公用工程單元，各類儀表I/O點約400點，單元界區(qū)至相應的現(xiàn)場機柜室約1km，共設計5臺遠程I/O接線箱，位于不同的安裝地點，采用單模光纜星型連接方案，DCS控制器安裝在現(xiàn)場機柜室內(nèi)；確保遠程I/O接線箱避免箱體正面向陽安裝。接線箱安裝方位如圖4所示。
圖4 接線箱安裝方位示意
該項目采用遠程I/O技術之后，減少了建設成本及維護成本，其中，主項單元采用常規(guī)DCSI/O與遠程I/O對比見表2所列。
表2 常規(guī)DCSI/O與遠程I/O對比
5、結束語
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，遠程I/O技術具有數(shù)字化、集成化、通用化、支持遠程部署的特點，減少機柜間接線與交叉布線，節(jié)約工程控制電纜與橋架數(shù)量，縮短設計與建設周期，減少全生命周期成本。
遠程I/O技術將有更為廣闊的應用前景。在實際應用與研發(fā)過程中應高度關注嚴苛環(huán)境條件下長時間的穩(wěn)定使用，盡可能降低遠程I/O技術的復雜度和成本，提升整體安全性、可靠性、可維護性，持續(xù)迭代發(fā)展。
作者：李成凱，范宗海，張曉剛，鐘珅，王國慶
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