解决方案 | 流程工业现场仪表信号传输数字化的新尝试,现场通用IO技术

日期: 2020-12-21

以下文章来源于UMCS ,作者魏毅

用于流程工业控制的分散控制系统(DCS)技术已经诞生40余年了,一直以来DCS基本结构尤其是最底层的IO硬件部分没有太大变化。现场通用IO技术设计思路以及优点有哪些?中国寰球工程有限公司北京分公司电控室副主任魏毅将为大家讲述。

作者简介:魏毅,现任中国寰球工程有限公司北京分公司电控室副主任。长期从事石油化工自动化工程设计工作,先后参与和负责了多个国家级大型石化煤化工项目的仪表自动化工程设计建造工作,获得多项国家省部级工程设计奖项以及仪表控制系统相关专利。

开始之前,先让我们看两张DCS IO硬件部分包括:现场仪表4-20mA/开关信号、铜电缆、接线柜、IO卡件。

1990年代控制系统厂商开发了现场总线技术,试图替代传统模拟技术,用总线电缆和数字网络信号代替铜线模拟信号。


现场总线技术有许多种,其中FF总线和PROFIBUS总线在流程工业应用较多。现场总线技术与模拟传输技术相比有一定性能优势。


是事实上流程工业多数业主和工程公司并不接受现场总线技术,而宁愿选择4-20mA/开关信号为主的模拟信号技术。


现场总线技术一直没有得到流程控制市场普遍接受,目前该技术还有萎缩的趋势。流程工业控制系统技术的前进脚步并没有因为现场总线技术受挫而停止。


现场通用IO技术设计思路


控制系统厂商开发了现场通用IO技术。


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该技术的思路是:既然用户仍然选择4-20mA/开关信号为主的模拟信号,那就把位于IO系统柜里面的IO卡件和通信模块搬到现场接线箱里,首先实现现场接线箱到机柜室的数字化传输。为了增强灵活性,现场通用IO技术把IO卡件设计成适应大部分信号的通用IO卡件。


在现场仪表侧,仪表仍然输出模拟电流信号。仪表信号进入接线箱内的通用IO卡件。通用IO卡件将模拟信号转换为数字信号,然后通过光纤或者网线,将数字信号送到控制室。

现场通用IO技术优点

现场通用IO技术把IO卡件前移到现场,替代了传统方案机柜室内的接线柜、安全栅继电器机柜和IO系统柜。


现场通用IO技术并没有消灭安全栅继电器和IO卡件,而只是将这些功能组件分散到了现场接线箱。该技术真正替代的是接线柜,所以最早开发此技术的艾默生公司给该技术取名叫电子布线技术。现场通用IO技术使得机柜室面积大幅度减少。


现场通用IO技术方案用光纤替代了传统的主电缆。


传统主电缆是多对铜芯对绞电缆,平均每根电缆都有几百米,是模拟信号传输方案材料和安装成本的大头。现场通用IO技术用廉价大容量的光纤替代了铜芯主电缆,提高了信号传输效率,节省了大量的材料和安装费用。初步测算,现场通用IO技术让仪表控制系统设备材料总投资降低30%。


现场通用IO技术大大增强了工程设计、设备供货和施工的灵活性。


由于通用IO卡件可以适应各种现场仪表信号,工程师不必再费尽心思考虑各种现场信号如何分类汇总,而只要给现场仪表信号找一个接线箱即可。现场通用IO接线箱无需定制,可以成为货架商品,其供货周期归零。这个特性缩短了工程设计、设备供货和安装的周期,节省了大量工程建造成本。


现场通用IO技术有着很大性能优势,控制系统厂商陆续推出自己的技术解决方案。


不同厂商解决方案


艾默生公司CHARM技术方案


艾默生公司的创新能力在仪表控制系统领域一直有口皆碑。2011年左右,EMERSON公司首先提出来电子布线(也称CHARM)技术方案。


该方案的主要设备是位于现场的单通道特性模块箱(以下简称CHARM箱)。CHARM箱中主要包括一对冗余CHARM IO卡件(CIOC)和96个(或者48个)CHARM单卡。每个CHARM单卡独立安装可插拔底板上,一个底板可容纳12个单卡,每个CHARM最大可安装8个底板。任一底座通道可以配置任何类型的CHARM单卡,因此总体看来任何信号都可以进入CHARM箱,这样就提供了极大的灵活性。


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CHARM箱提供了冗余以太网口,通过网线或者光纤,将现场仪表信号接入交换机,从而实现CHARM IO卡件与控制器的通信。


CHARM技术具备云IO特性,一个CHARM箱中的任一CHARM IO信号可以分配到多达4对控制器,一对控制器可连接多达16个CHARM箱。这个技术方案实现了现场仪表信号和控制器之间的灵活配置。

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CHARM技术,尤其是分布式CHARM技术用以太网网线或者光纤取代了传统的主电缆。CHARM技术为仪表现场接线提供了灵活性。CHARM技术降低了设备和安装成本,减少了工程设计和安装工作量,是一个非常优秀的创新方案。


截止到2018年底,全球已有超过162万点的CHARM设备成功安装运行。烟台万华年产百万吨乙烯综合装置DCS全部采用了现场CHARM技术方案,系统总容量超过9万点。该厂已于2020年11月份成功开车,控制系统运行良好。


和利时自动化公司光纤总线智能IO技术方案


和利时自动化公司推出了光纤总线智能IO技术解决方案。该方案由现场智能IO接线箱和光纤网络组成。


现场智能IO接线箱由16通道多功能IO模块和光纤通信模块组成。


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16通道多功能IO模块可以用同一套硬件接收处理各种IO类型的信号,并且为现场仪表供电。16通道多功能IO模块采用了软件定义的办法处理不同的现场IO信号,同时在IO卡件前面增加了信号调理板预处理更多种类信号。


除了传统模拟信号外,多功能IO模块还可以接收包括PROFIBUS DP/PA, MODUBUS RTU等总线信号,从而提高了现场多功能IO模块的适用性。


光纤网络提供了高可靠性的冗余数字信号传输路径。位于现场的光纤接线盒可以汇总最多32路光纤。从光纤接线盒出来的光纤进入机柜室。在机柜室侧,冗余光纤通过光电模块接入控制器。


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光纤总线智能IO技术解决方案具备现场通用IO的优点,同时使用了光纤网络,降低网络硬件成本,提高了传输的可靠性,是一种高性能解决方案。


目前已经有多个装置选用了光纤总线智能IO技术解决方案,设备运行情况良好,业主反馈积极正面。


霍尼韦尔公司UPC/UIO技术方案


霍尼韦尔公司的技术方案叫做UPC(UNIVERSAL PROCESS CABINET). UPC是放置在现场的接线柜,其中包括最多6个32点通用IO卡件(简称UIO卡件)和冗余光纤通信模块。UIO卡件与其他IO卡件一样,通过冗余的io-link与控制器通信,与一般IO卡件不同的是UIO 的io-link的物理层使用了光纤。


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UIO卡件并没有可拆卸的单卡模件适应各种信号,而是采取了软件组态的办法定义IO通道类型。这种方式同样实现了通用IO信号的接入。


软件组态定义IO通道类型的优点是硬件完全一致,不必为不同信号准备不同的模件。软件定义IO类型方式增加了部分硬件复杂度,为了提高硬件适应性,厂商专门为温度信号设计了128 LLAI温度专用机柜。


正在设计中的中国南方某石化项目使用霍尼韦尔公司的UIO技术方案。


上面介绍了三家公司有代表性的现场通用IO技术方案。其他公司如日本横河公司、ABB公司和浙江中控公司也已经或者将要推出类似产品,这里就不赘述。感兴趣的读者可以到网上搜索。


现场通用IO技术将IO卡件带到了工业现场,并且用光纤代替了铜主电缆,大大节省了工程建设成本。该技术提高了工程设计和安装的灵活性,缩短了控制系统设计供货安装周期。在工厂运行阶段,该技术具有低维护量的特点。


现场通用IO技术为流程工业控制系统技术的发展开辟了一个新的方向,给工程建设公司和运营单位带来更大的价值。


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