高健翔

（中國輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州 511447）

傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）自20世紀(jì)70年代誕生以來，已發(fā)展了40余年，在石油、化工、電力、冶金等大型工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。雖然DCS 系統(tǒng)的性能隨著各種技術(shù)的發(fā)展也在不斷地進(jìn)步，但其基本結(jié)構(gòu)，特別是最底層的I/O 硬件部分并沒有發(fā)生太大的變化?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的4～20 mA 信號(hào)或開關(guān)量信號(hào)通過銅芯電纜接至接線箱，然后接至I/O 卡件，最后信號(hào)進(jìn)入到控制器中的模式一直沿用至今。在過去，這種底層架構(gòu)無疑是先進(jìn)的且與生產(chǎn)力相匹配的，但隨著工業(yè)企業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，各種新興技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)從項(xiàng)目投資成本、機(jī)柜室面積以及施工周期等方面已無法完全滿足當(dāng)下的需求。

在20世紀(jì)90年代，各控制系統(tǒng)廠商基于傳統(tǒng)架構(gòu)的不足，開發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，試圖用總線電纜和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)信號(hào)代替銅芯線纜模擬信號(hào)。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與模擬傳輸技術(shù)相比有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)實(shí)情況卻是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)一直沒有得到流程工業(yè)控制領(lǐng)域的普遍認(rèn)可和接受。究其原因，無論是傳統(tǒng)的模擬傳輸技術(shù)還是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，都是以電信號(hào)傳輸為基礎(chǔ)，以銅芯電纜為傳輸介質(zhì)的，因此，兩者均同樣面臨銅線傳輸效率低、投資成本高、電信號(hào)容易受到干擾等缺點(diǎn)，從技術(shù)上未有根本性的改變。

1 工業(yè)光總線智能I/O技術(shù)介紹

1.1 什么是工業(yè)光總線智能I/O技術(shù)

基于上述工業(yè)控制領(lǐng)域現(xiàn)狀，艾默生公司最先推出了電子布線技術(shù)方案，隨后其他控制系統(tǒng)廠商也跟進(jìn)推出了類似的技術(shù)方案，國外有如霍尼韋爾的UI/O、橫河的N-I/O 等，國內(nèi)有和利時(shí)公司的工業(yè)光總線智能I/O、浙江中控公司的SMARTEI/O。這些技術(shù)方案都各有特色，但其基本特征都是類似的，主要組成部分就是現(xiàn)場(chǎng)通用I/O 模塊和光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。把I/O 模塊設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)，采用光纖作為控制器以及I/O模塊之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，替代一直沿用的銅芯電纜。文中以和利時(shí)公司的工業(yè)光總線智能I/O 技術(shù)作為切入點(diǎn)，對(duì)此類技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

傳統(tǒng)的DCS 控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)要傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)接線箱、電纜橋架、端子柜、安全柵柜、I/O 機(jī)柜等一系列中間環(huán)節(jié)才能完成。而工業(yè)光總線智能I/O 技術(shù)徹底改變了這一架構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接通過位于現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)光總線數(shù)據(jù)傳輸單元（iDTU）連接到遠(yuǎn)端的控制器，省卻了一系列的中間環(huán)節(jié)。兩者對(duì)比如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與工業(yè)光總線控制系統(tǒng)對(duì)比

利用工業(yè)光總線智能I/O 技術(shù)搭建起的工業(yè)光總線控制系統(tǒng)主要由工程師站、操作員站、冗余歷史站、設(shè)備管理站、K 系列冗余控制站、冗余工業(yè)光總線連接單元（RJU）和工業(yè)光總線智能數(shù)據(jù)傳輸單元（iDTU）等設(shè)備組成，其中從iDTU 到RJU 及冗余控制站之間都采用光纖進(jìn)行通信。

RJU 可設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)或設(shè)置在機(jī)柜室內(nèi)，起到交換機(jī)的作用，每個(gè)RJU 可以星形連接16 或者32 個(gè)iDTU，采用無源光學(xué)器件技術(shù)，通過冗余光纜與iDTU 連接，并通過Onet 工業(yè)光總線與控制站進(jìn)行通訊。

iDTU 采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由冗余的VI/O 模塊、冗余的光總線接口模塊以及冗余的電源模塊組成。VI/O 模塊支持AI、AO、DI、DO、PI、Namur 六種信號(hào)類型。還支持Modbus 通訊協(xié)議，可與第三方系統(tǒng)通信。VI/O 模塊的所有通道在硬件上是完全一致的，只需要通過軟件將通道設(shè)置為與現(xiàn)場(chǎng)儀表輸出相同的信號(hào)類型即可。

1.2 工業(yè)光總線智能I/O技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）工業(yè)光總線智能I/O 技術(shù)的應(yīng)用能為項(xiàng)目建設(shè)期帶來顯著的成本優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，工業(yè)光總線控制系統(tǒng)由于在控制站與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集單元之間采用光纖通信，極大地節(jié)省了銅芯電纜的使用量，相應(yīng)地也降低了電纜橋架、人工施工等環(huán)節(jié)的成本。此外，工業(yè)光總線控制系統(tǒng)因?yàn)榘袸/O 模塊設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)，因此大幅度減少了機(jī)柜室內(nèi)機(jī)柜的數(shù)量，從而減少了對(duì)機(jī)柜室建筑面積的需求，降低了機(jī)柜室的土建成本。

（2）工業(yè)光總線控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)具有更高的可靠性。光纖線纜在抗電磁干擾能力以及防雷擊能力上，都要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的銅芯電纜。同時(shí)，冗余的光纖傳輸通道，也能很好地保證數(shù)據(jù)傳輸通道的安全性和可靠性。

（3）工業(yè)光總線智能I/O 技術(shù)的應(yīng)用使得設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試以及運(yùn)維等過程變得更加的靈活，從而達(dá)到縮短工期、節(jié)省人力成本的目的。電纜量的減少除了能節(jié)約資金成本外，同時(shí)也節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間以及施工難度。通用I/O 卡件的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)I/O 點(diǎn)編排的過程，使得標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)成為可能，從設(shè)計(jì)、到廠商產(chǎn)品交付、到最后現(xiàn)場(chǎng)施工安裝，各環(huán)節(jié)的時(shí)間周期都能大幅的縮短。

2 工業(yè)光總線智能I/O技術(shù)在精煉糖廠中的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

某精煉糖廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1500t/d。主要生產(chǎn)工藝線路：原糖回溶后，首先經(jīng)過碳酸飽充、過濾、離子交換脫色工藝，然后經(jīng)過板式蒸發(fā)濃縮、四系煮糖、分蜜、干燥，最后經(jīng)過包裝生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的精糖。

整個(gè)生產(chǎn)流程可分為六個(gè)生產(chǎn)工段：原料糖回溶工段、澄清和過濾工段、清糖漿脫色工段、蒸發(fā)工段、煮糖和分蜜工段、干燥和包裝工段。

2.2 傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)架構(gòu)

按傳統(tǒng)的DCS 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，全廠設(shè)一套DCS 控制系統(tǒng)。如圖2 所示。DCS 系統(tǒng)由控制室內(nèi)的操作員站、工程師站，機(jī)柜室內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)器、控制站、I/O 站以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成。I/O 站設(shè)在機(jī)柜室內(nèi)，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的采集。

圖2 傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)架構(gòu)

在煉糖車間三層設(shè)1#機(jī)柜室，1#機(jī)柜室內(nèi)安裝相應(yīng)I/O 站機(jī)柜，負(fù)責(zé)接入回溶、澄清、蒸發(fā)、分蜜工段的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)，以及全部工段的電機(jī)控制信號(hào)；在煉糖車間四層設(shè)2#機(jī)柜室，2#機(jī)柜室內(nèi)安裝相應(yīng)的I/O 站機(jī)柜，負(fù)責(zé)接入煉糖煮糖工段的的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)。

按傳統(tǒng)的DCS 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備及材料用量如表1所示。

表1 傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)備及材料用量統(tǒng)計(jì)表

2.3 工業(yè)光總線控制系統(tǒng)架構(gòu)

有別于傳統(tǒng)的架構(gòu)，工業(yè)光總線控制系統(tǒng)架構(gòu)把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸單元設(shè)置到車間現(xiàn)場(chǎng)以及配電室中，大大地縮短了使用銅芯線纜進(jìn)行電信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，節(jié)省了線纜等材料的用量，節(jié)約了機(jī)柜室的面積，同時(shí)也增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

工業(yè)光總線控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸單元、冗余光纖網(wǎng)絡(luò)、控制站和上位機(jī)等設(shè)備組成。根據(jù)設(shè)備布置的位置情況，分別在設(shè)備布置集中處及配電室內(nèi)，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸單元，在機(jī)柜室中僅需保留1臺(tái)控制柜。具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 工業(yè)光總線控制系統(tǒng)架構(gòu)

按工業(yè)光總線控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備及材料用量如表2所示。

表2 工業(yè)光總線控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)備及材料用量統(tǒng)計(jì)表

2.4 對(duì)比分析

分析比較表1和表2，可容易看出，使用工業(yè)光總線智能I/O 技術(shù)能節(jié)省超過一半的電纜用量。雖然因?yàn)椴捎昧诵录夹g(shù)硬件，提高了控制系統(tǒng)的硬件投資成本。但電纜用量的大幅減少，使得與之配套的橋架、鋼管等材料也得以相應(yīng)的減少，降低了現(xiàn)場(chǎng)施工工程量，縮短了整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)周期。項(xiàng)目建設(shè)期成本的降低以及工期的縮短，使得該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)效益方面十分具有優(yōu)勢(shì)。

此外，通用I/O 通道、軟件定義I/O 等技術(shù)的使用，能減少電纜接線、校線的工作量，改為通過在軟件上進(jìn)行修改和設(shè)置來完成。雖然軟件調(diào)試的工作量會(huì)因此有所增加，但軟件的修改相對(duì)來說較為直接方便，因而還是會(huì)使調(diào)試效率有所提高。

在項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)期，現(xiàn)場(chǎng)儀表的增減或升級(jí)在所難免。使用工業(yè)光總線智能I/O 技術(shù)后，增加現(xiàn)場(chǎng)儀表，無需再長(zhǎng)距離敷設(shè)電纜至機(jī)柜室，只需就近接入現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸單元即可。若有大量的儀表增加，也只需在現(xiàn)場(chǎng)增加一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸單元，通過光纖接入控制系統(tǒng)即可。整個(gè)升級(jí)改造過程將變得十分靈活。

3 結(jié)束語

工業(yè)光總線智能I/O 技術(shù)無疑是一種創(chuàng)新性的技術(shù)應(yīng)用，在國內(nèi)工業(yè)項(xiàng)目中應(yīng)用場(chǎng)景不算太多，但目前也有數(shù)十例成功的應(yīng)用。工業(yè)光總線控制系統(tǒng)的使用狀況，用戶普遍的反饋如下：在環(huán)境惡劣的工況下，新系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠；新系統(tǒng)可顯著降低電纜傳輸存在的干擾，提高信號(hào)準(zhǔn)確度；電纜敷設(shè)、電纜橋架的安裝施工的工程量和難度明顯降低；工期明顯縮短；現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間的面積極大減??；投資成本明顯降低。

當(dāng)然，不同的項(xiàng)目要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況選擇合適的控制系統(tǒng)方案，不能一概而論。但工業(yè)光總線智能I/O技術(shù)無疑為工業(yè)控制領(lǐng)域開辟了一個(gè)新的方向，為工程師們提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，也為廣大的用戶提供了一種新的選擇。