基于流程制造業(yè)的遠程I/O技術應用

1 引言

　　大型化工基地的許多輔助的化工裝置遠離操作室，有的遠到幾公里或十幾公里，但又為了集中監(jiān)測和控制，再建一套dcs系統(tǒng)花費太大，遠程i/o則具有其優(yōu)越性，可以和dcs進行通訊，節(jié)約了大量的成本。一般dcs和plc不能實現(xiàn)太遠距離集中控制，所以說遠程i/o是較遠距離控制的發(fā)展趨勢。

2 遠程i/o技術

　　2.1 遠程i/o概述

　　遠程i/o基于現(xiàn)場總線發(fā)展起來的現(xiàn)場與控制室或控制系統(tǒng)之間的一種全數(shù)字、雙向串行、多節(jié)點的通訊系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線是工業(yè)系統(tǒng)向分散化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展方向，其導致傳統(tǒng)自動儀表和控制系統(tǒng)在結構和功能上得到進一步的變革，把dcs集中與分散相結合的控制方式變成新型的全分布式控制網(wǎng)絡。遠程i/o適用于惡劣環(huán)境中，遠程i/o的理論基礎簡單，工程應用方便可靠，整套系統(tǒng)設計方便，整體網(wǎng)絡和硬件可以自由分配，靈活變通，主要注意工藝要求，整體考慮防止網(wǎng)絡地址的沖突。具體實踐應用應該了解硬件的原理和注意事項，軟件應了解組態(tài)方式，profibus—dp協(xié)議轉換卡組態(tài)簡單，可以進行離線組態(tài)，并要保存好組態(tài)程序。遠程i/o和dcs通訊應清楚通訊協(xié)議以及其銜接部分的接線方式，通訊距離決定用光纖還是普通通訊電纜，采用光纖還需要配備光纖耦合器?？刂葡到y(tǒng)個從設計、安裝、投運到生產(chǎn)運行及其維護檢修都有其優(yōu)越性；通訊速率高，通訊質量好，通訊介質廣，網(wǎng)絡拓撲結構靈活，可應用于安全等級較高的危險場合。特別投資少、耗能少；是有利于國家提倡的節(jié)能減排。

　　遠程i/o它的最為主要的優(yōu)勢在于遠程，最遠傳播距離為可達到十幾公里，其次是穩(wěn)定，在惡劣的工業(yè)環(huán)境里，一旦通訊正常可以保證幾年不出問題，為化工連續(xù)生產(chǎn)帶來了保證。技術特點是：

　　(1) 系統(tǒng)開放性；總線標準、通信協(xié)議均是公共的，所以用戶選擇不再局限于一節(jié)或幾家。

　　(2) 互可操作性和互換性；是實現(xiàn)互連儀表、設備間及系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實現(xiàn)點對點、一點對多點的數(shù)字通訊?；Q性是不同生產(chǎn)廠家性能類似產(chǎn)品可以互換，而不必擔心兼容性。

　　(3) 適應性強；其通訊可支持雙絞線、同軸電纜、光纖、紅外線、電力線、射頻。同時能夠適應環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，抗干擾能力強。

　　2.2 turck遠程i/o原理

　　遠程i/o通信(分布式i/o通信)是采用的周期i/o數(shù)據(jù)傳輸方式。遠程i/o通信中采用“周期i/o方式交換數(shù)據(jù)”，按照主從方式存取控制，其帶的通信處理器作為主動站，其它遠程i/o單元皆為從動站。在主站設立一個“遠程i/o緩沖區(qū)”，主站中負責通信的處理器采用周期掃描方式，按照順序與各從站交換數(shù)據(jù)存放于遠程i/o緩沖區(qū)中。這樣周而復始，使主站中的“遠程i/o緩沖區(qū)”得到周期性刷新。在主站中的cpu單元負責用戶程序的掃描，它按照循環(huán)掃描方式進行處理，每個循環(huán)掃描周期都有一段時間集中進行i/o處理，這是它對本地i/o單元和遠程i/o緩沖區(qū)進行讀寫操作；盡管主站中的cpu單元沒有直接對遠程i/o單元進行操作，但是由于主站中遠程i/o緩沖區(qū)和遠程i/o單元是一一對應的，所以主站cpu對遠程i/o緩沖區(qū)進行讀寫操作，就相當于直接訪問了遠程i/o單元?；诘聡鴗urck的遠程i/o通訊總線通信的原理框圖如圖1所示。

圖1 遠程i/o原理

1 引言

　　大型化工基地的許多輔助的化工裝置遠離操作室，有的遠到幾公里或十幾公里，但又為了集中監(jiān)測和控制，再建一套dcs系統(tǒng)花費太大，遠程i/o則具有其優(yōu)越性，可以和dcs進行通訊，節(jié)約了大量的成本。一般dcs和plc不能實現(xiàn)太遠距離集中控制，所以說遠程i/o是較遠距離控制的發(fā)展趨勢。

2 遠程i/o技術

　　2.1 遠程i/o概述

　　遠程i/o基于現(xiàn)場總線發(fā)展起來的現(xiàn)場與控制室或控制系統(tǒng)之間的一種全數(shù)字、雙向串行、多節(jié)點的通訊系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是工業(yè)系統(tǒng)向分散化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展方向，其導致傳統(tǒng)自動儀表和控制系統(tǒng)在結構和功能上得到進一步的變革，把dcs集中與分散相結合的控制方式變成新型的全分布式控制網(wǎng)絡。遠程i/o適用于惡劣環(huán)境中，遠程i/o的理論基礎簡單，工程應用方便可靠，整套系統(tǒng)設計方便，整體網(wǎng)絡和硬件可以自由分配，靈活變通，主要注意工藝要求，整體考慮防止網(wǎng)絡地址的沖突。具體實踐應用應該了解硬件的原理和注意事項，軟件應了解組態(tài)方式，profibus—dp協(xié)議轉換卡組態(tài)簡單，可以進行離線組態(tài)，并要保存好組態(tài)程序。遠程i/o和dcs通訊應清楚通訊協(xié)議以及其銜接部分的接線方式，通訊距離決定用光纖還是普通通訊電纜，采用光纖還需要配備光纖耦合器?？刂葡到y(tǒng)個從設計、安裝、投運到生產(chǎn)運行及其維護檢修都有其優(yōu)越性；通訊速率高，通訊質量好，通訊介質廣，網(wǎng)絡拓撲結構靈活，可應用于安全等級較高的危險場合。特別投資少、耗能少；是有利于國家提倡的節(jié)能減排。

　　遠程i/o它的最為主要的優(yōu)勢在于遠程，最遠傳播距離為可達到十幾公里，其次是穩(wěn)定，在惡劣的工業(yè)環(huán)境里，一旦通訊正常可以保證幾年不出問題，為化工連續(xù)生產(chǎn)帶來了保證。技術特點是：

　　(1) 系統(tǒng)開放性；總線標準、通信協(xié)議均是公共的，所以用戶選擇不再局限于一節(jié)或幾家。

　　(2) 互可操作性和互換性；是實現(xiàn)互連儀表、設備間及系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實現(xiàn)點對點、一點對多點的數(shù)字通訊?；Q性是不同生產(chǎn)廠家性能類似產(chǎn)品可以互換，而不必擔心兼容性。

　　(3) 適應性強；其通訊可支持雙絞線、同軸電纜、光纖、紅外線、電力線、射頻。同時能夠適應環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，抗干擾能力強。

　　2.2 turck遠程i/o原理

　　遠程i/o通信(分布式i/o通信)是采用的周期i/o數(shù)據(jù)傳輸方式。遠程i/o通信中采用“周期i/o方式交換數(shù)據(jù)”，按照主從方式存取控制，其帶的通信處理器作為主動站，其它遠程i/o單元皆為從動站。在主站設立一個“遠程i/o緩沖區(qū)”，主站中負責通信的處理器采用周期掃描方式，按照順序與各從站交換數(shù)據(jù)存放于遠程i/o緩沖區(qū)中。這樣周而復始，使主站中的“遠程i/o緩沖區(qū)”得到周期性刷新。在主站中的cpu單元負責用戶程序的掃描，它按照循環(huán)掃描方式進行處理，每個循環(huán)掃描周期都有一段時間集中進行i/o處理，這是它對本地i/o單元和遠程i/o緩沖區(qū)進行讀寫操作；盡管主站中的cpu單元沒有直接對遠程i/o單元進行操作，但是由于主站中遠程i/o緩沖區(qū)和遠程i/o單元是一一對應的，所以主站cpu對遠程i/o緩沖區(qū)進行讀寫操作，就相當于直接訪問了遠程i/o單元。基于德國turck的遠程i/o通訊總線通信的原理框圖如圖1所示。

圖1 遠程i/o原理

　　turck的遠程i/o遠程i/o以 profibus—dp為通訊總線，遵守profibus總線協(xié)議，以工業(yè)現(xiàn)場總線標準為依據(jù)。其整個系統(tǒng)位于危險區(qū)的從站和各類儀表，所以現(xiàn)場必須用本安防爆箱。整個系統(tǒng)由各類i/o模塊、適配卡、通訊卡、通訊總線(專用電纜或光纖)、網(wǎng)關(協(xié)議轉換卡)、上位機、組態(tài)軟件等等組成。遠程i/o模塊的類型如下：

1 x mt5 or mt9 module rack without redundancy function
or mt18 module rack with redundancy function
1 x psd24ex 24 vdc power supply unit
1 x gdp1,5 profibus-dp gateway 1.5 mbaud
1 x rs485 i.s. coupler i.s. coupler for profibus
dm80ex binary input/output module for connection of namur sensors
and low voltage actuators
df20ex binary input module for frequency measurements or as a
counter module
di40ex binary input module for connection of namur sensors
do40ex binary output module for connection of eex i magnetic
valves 0.5 w
aih40ex analogue input module for connection of 2-wire
transmitters with hart functionality
aih41ex analogue input module for connection of 4-wire
transmitters with hart functionality
aoh40ex analogue output module for connection of analogue
actuators with hart functionality
ao40ex analogue output module for connection of analogue actuators
ti40ex analogue input module for connection of temperature
detectors

3 流程制造遠程i/o案例

　　3.1 煤化工項目背景

　　以霍尼韋爾tps系統(tǒng)和turck的遠程i/o在化工廠搭建起來的控制來研究遠程i/o的機理及其應用。turck的遠程i/o在河南龍宇煤化工有限公司用于硫回收、甲醇罐區(qū)和火炬系統(tǒng)。其可用于小型系統(tǒng)，一套系統(tǒng)模擬輸入不超過300點，其每一個點對應一個地址；其次就是可應用于環(huán)境比較差的工業(yè)現(xiàn)場，比如易燃易爆，有毒有害易腐蝕；再就是可遠距離監(jiān)測和控制。以硫回收來說明整個系統(tǒng)的應用。

　　本裝置采用分流法作為主流程的三級claus硫回收工藝；當酸性氣中h2s濃度較高時，采用部分燃燒法作為輔助流程，其原理是so2和h2s在一定的溫度下，在催化劑的作用下發(fā)生克勞斯反應生成單質硫和水，并放出熱量。制硫爐和制硫余熱鍋爐等設備可以同時適應分流法和部分燃燒法兩種工藝。

　　由于硫回收在化工廠一般都是輔助裝置，但也是必不可少的，目前國家對化工排放要求相當嚴格，而酸性氣體里面的so2和h2s對環(huán)境污染是特別嚴重的，所以要對酸性氣體中對環(huán)境有污染的氣體加以回收。然而這些裝置在化工行業(yè)都是不賺錢的，考慮其遠離裝置區(qū)和有毒有害、易燃易爆等特點，投資建一套dcs系統(tǒng)成本太高，而且只能在裝置區(qū)附近，對人的危害比較大。遠程i/o的運用既可以節(jié)約成本又可以和中央控制室建立通訊，一切操作和監(jiān)控可以在中央控制室完成，起到了一舉兩得的效果。

　　3.2 遠程i/o架構設計

　　遠程i/o可建立與dcs通訊，通過rs-485通訊線與霍尼韋爾的si卡進行通訊，并可實現(xiàn)dcs的人機界面，從而監(jiān)控和控制現(xiàn)場的設備。較近的工業(yè)現(xiàn)場和控制室遠程i/o采用profibus專用通訊電纜；硫回收距離控制室有兩公里，則可通過光纖通訊，但控制室和現(xiàn)場都得用光纖耦合器和段耦合器進行數(shù)據(jù)轉換。profibus轉modbus是prolinx協(xié)議轉換卡，硫回收現(xiàn)場過來的信號都經(jīng)過協(xié)議轉換把profibus轉換成modbus，通過modbus通訊電纜到霍尼韋爾dcs的si卡。

　　3.3 硫回收遠程i/o站

　　硫回收現(xiàn)場各測量儀表集于現(xiàn)場控制柜接到各輸入輸出卡件，信號通過控制器gdp1.5傳輸。通過profibus通訊線把控制器和光纖耦合器連接起來。再通過尾纖和光纖盒連接到控制室的光纖耦合器，光纖耦合器再通過profibus通訊線連接到斷耦合器，斷耦合器通過profibus通訊線接到dp-profibus協(xié)議轉換卡(profibus轉modbus)。協(xié)議轉換卡通過modbus通訊線接到dcs的si卡。si卡通過fta電纜到dcs的i/o卡件，通過i/o link傳輸數(shù)據(jù)。通過ucn電纜連到網(wǎng)絡接口模件，再通過lcn與gus連接。從gus上找到地址進行組態(tài)，做出監(jiān)控畫面即可。

　　3.4 地址分配組態(tài)和相關注意事項

　　(1) 地址分配：如果主站中帶有本地i/o單元，先分配主機架后分配擴展機架的i/o單元地址。其次，如果主站中帶有遠程i/o單元，按照站點號從小到大進行i/o單元地址分配。如果混合編址，依照先本地后遠程的原則即可。第三，編制程序時無需區(qū)分本地i/o或遠程i/o，如 a i 0.1 , = q 0.1。i 0.1 和q0.1(i/o單元地址)即可以是本地也可以是遠程i/o地址。編程根據(jù)硬件分配，可以離線進行。組態(tài)軟件是應用prolinx的開發(fā)軟件，離線組態(tài)完成后進行在線下裝，程序一旦下裝不能再讀出來，所以要保證組態(tài)的正確性，下裝完成后要對組態(tài)進行備份以免以后需要改動，同時也便于檢查錯誤。遠程i/o遠程模擬量除溫度以外(當然如果現(xiàn)場有溫度變送器可以轉換成4-20ma dc信號除外)傳輸4000-20000信號對應4-20ma dc，再通過順控可以結算出量程。

　　例如：te05104.pv=lhsai1.nn(003)/10-273.15

　　fi05109.pv=(lhsai2.nn(010)-4000)*360/16000+40

　　lhsao.nn(011)=nn(011)*160+4000

　　其中nn(011)為閥門開度

　　通過順空計算出測量結果，在dcs啟動順空，再把順空軟點做到監(jiān)控畫面，通訊正常后就可以對現(xiàn)場的設備進行監(jiān)控和操作了。使用編程器對系統(tǒng)進行硬件組態(tài)(包括網(wǎng)絡組態(tài))，把組態(tài)數(shù)據(jù)下載(下傳/裝載)到協(xié)議轉換卡的cpu中。

　　(2) 注意事項：使用編程器對系統(tǒng)進行硬件組態(tài)(包括網(wǎng)絡組態(tài))，把組態(tài)數(shù)據(jù)下載(下傳/裝載)到協(xié)議轉換卡的cpu中。其次，在分配profibus—dp網(wǎng)絡中的各種從站的網(wǎng)絡地址不能有任何相同或重復，并且保證在網(wǎng)絡組態(tài)中的網(wǎng)絡地址與遠程i/o站上的dip開關的設定相同。profibus—dp現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中的終端電阻必須連接，因為主站只有找到結束端，才能對遠程i/o站加以確認，完成確認后才能與其進行數(shù)據(jù)交換，所以profibus—dp現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中的第一個站和最后一個站的終端電阻必須設定。再就是必須保證profibus—dp現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中的網(wǎng)線連接正確與牢固，重點遠程i/o站采用帶雙dp口的快速連接插頭，便于現(xiàn)場用編程器調試維護設備。整個軟件下裝后通訊正常，再根據(jù)分配的地址就可以在上位機做操作畫面了，根據(jù)硫回收現(xiàn)場的測點和控制方案，均可以在上位機上實現(xiàn)。監(jiān)控畫面做完以后經(jīng)過調試就可以運用了。整個系統(tǒng)從安裝到投運半個月即可以完成，大大節(jié)省了時間。整個系統(tǒng)一旦運行起來，特別穩(wěn)定。

　　3.5 操作經(jīng)驗

　　首先應采用冗余供電和通訊，保證一路電源或通訊故障，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行。第二應該使現(xiàn)場的波特率和組態(tài)軟件設置一致，軟件地址和現(xiàn)場硬件地址必須一致；第三冗余的電源和控制器gdp1.5都可以在線插拔，但必須另外一個正常工作；第四通訊電纜接頭必須接正確，即屏蔽層必須壓在金屬層處，保證屏蔽起作用；第五終端電阻應在開關頭上設置，開關頭on即設為終端，并且終端必須在系統(tǒng)的最終端，否則通訊不上；第六光纖必須匹配，特別應注意單膜和多膜區(qū)別，turck的遠程i/o必須采用單膜光纖。第七必須分清卡件類型，搞清內外供電，以便選擇輸入輸出卡件，如果是數(shù)字量輸出點應加繼電器，不然i/o卡件帶動不起設備，除非是外供24vdc電源。第八接線方式應注意ai40接接線端子1、2，ai41接接線端子3、4，如果接錯信號將無法傳輸。以上是在實踐中積累的一些經(jīng)驗，希望能給大家?guī)韼徒M。

4 結束語

　　由于以上分析介紹，說明遠程i/o理論學習簡單方便，只要懂得其原理和結構分布，初學者很容易上手。turck的遠程i/o在河南龍宇煤化工有限公司已經(jīng)用了三年，首先它節(jié)省了大量的資金，同時和dcs通訊實現(xiàn)了遠程集中控制，能及時準確的監(jiān)控現(xiàn)場，確保正確的操作，再就是運行相當可靠給維護人員帶來了很大方便。遠程i/o給新型大的化工廠的設計提供了有效的思路，使我們不在局限于dcs，在建新項目快好省的前提下，遠程i/o的應用更能合理布局、節(jié)約成本和時間，對整個系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行提供了保障。