基于流程制造業(yè)的遠程I/O技術(shù)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，但又為了集中監測和控制，再建一套dcs系統花費太大，遠程i/o則具有其優(yōu)越性，可以和dcs進(jìn)行通訊，節約了大量的成本。一般dcs和plc不能實(shí)現太遠距離集中控制，所以說(shuō)遠程i/o是較遠距離控制的發(fā)展趨勢。

2 遠程i/o技術(shù)

　　2.1 遠程i/o概述

　　遠程i/o基于現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展起來(lái)的現場(chǎng)與控制室或控制系統之間的一種全數字、雙向串行、多節點(diǎn)的通訊系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)是工業(yè)系統向分散化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展方向，其導致傳統自動(dòng)儀表和控制系統在結構和功能上得到進(jìn)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(luò )。遠程i/o適用于惡劣環(huán)境中，遠程i/o的理論基礎簡(jiǎn)單，工程應用方便可靠，整套系統設計方便，整體網(wǎng)絡(luò )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(luò )地址的沖突。具體實(shí)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(jiǎn)單，可以進(jìn)行離線(xiàn)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(xiàn)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個(gè)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(zhì)量好，通訊介質(zhì)廣，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構靈活，可應用于安全等級較高的危險場(chǎng)合。特別投資少、耗能少；是有利于國家提倡的節能減排。

　　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，其次是穩定，在惡劣的工業(yè)環(huán)境里，一旦通訊正?？梢员ＷC幾年不出問(wèn)題，為化工連續生產(chǎn)帶來(lái)了保證。技術(shù)特點(diǎn)是：

　　(1) 系統開(kāi)放性；總線(xiàn)標準、通信協(xié)議均是公共的，所以用戶(hù)選擇不再局限于一節或幾家。

　　(2) 互可操作性和互換性；是實(shí)現互連儀表、設備間及系統間的信息傳送與溝通，可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通訊?；Q性是不同生產(chǎn)廠(chǎng)家性能類(lèi)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(xiàn)、同軸電纜、光纖、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)、射頻。同時(shí)能夠適應環(huán)境惡劣的工業(yè)現場(chǎng)，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數據傳輸方式。遠程i/o通信中采用“周期i/o方式交換數據”，按照主從方式存取控制，其帶的通信處理器作為主動(dòng)站，其它遠程i/o單元皆為從動(dòng)站。在主站設立一個(gè)“遠程i/o緩沖區”，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據存放于遠程i/o緩沖區中。這樣周而復始，使主站中的“遠程i/o緩沖區”得到周期性刷新。在主站中的cpu單元負責用戶(hù)程序的掃描，它按照循環(huán)掃描方式進(jìn)行處理，每個(gè)循環(huán)掃描周期都有一段時(shí)間集中進(jìn)行i/o處理，這是它對本地i/o單元和遠程i/o緩沖區進(jìn)行讀寫(xiě)操作；盡管主站中的cpu單元沒(méi)有直接對遠程i/o單元進(jìn)行操作，但是由于主站中遠程i/o緩沖區和遠程i/o單元是一一對應的，所以主站cpu對遠程i/o緩沖區進(jìn)行讀寫(xiě)操作，就相當于直接訪(fǎng)問(wèn)了遠程i/o單元?；诘聡鴗urck的遠程i/o通訊總線(xiàn)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，但又為了集中監測和控制，再建一套dcs系統花費太大，遠程i/o則具有其優(yōu)越性，可以和dcs進(jìn)行通訊，節約了大量的成本。一般dcs和plc不能實(shí)現太遠距離集中控制，所以說(shuō)遠程i/o是較遠距離控制的發(fā)展趨勢。

2 遠程i/o技術(shù)

　　2.1 遠程i/o概述

　　遠程i/o基于現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展起來(lái)的現場(chǎng)與控制室或控制系統之間的一種全數字、雙向串行、多節點(diǎn)的通訊系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)是工業(yè)系統向分散化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展方向，其導致傳統自動(dòng)儀表和控制系統在結構和功能上得到進(jìn)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(luò )。遠程i/o適用于惡劣環(huán)境中，遠程i/o的理論基礎簡(jiǎn)單，工程應用方便可靠，整套系統設計方便，整體網(wǎng)絡(luò )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(luò )地址的沖突。具體實(shí)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(jiǎn)單，可以進(jìn)行離線(xiàn)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(xiàn)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個(gè)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(zhì)量好，通訊介質(zhì)廣，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構靈活，可應用于安全等級較高的危險場(chǎng)合。特別投資少、耗能少；是有利于國家提倡的節能減排。

　　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，其次是穩定，在惡劣的工業(yè)環(huán)境里，一旦通訊正?？梢员ＷC幾年不出問(wèn)題，為化工連續生產(chǎn)帶來(lái)了保證。技術(shù)特點(diǎn)是：

　　(1) 系統開(kāi)放性；總線(xiàn)標準、通信協(xié)議均是公共的，所以用戶(hù)選擇不再局限于一節或幾家。

　　(2) 互可操作性和互換性；是實(shí)現互連儀表、設備間及系統間的信息傳送與溝通，可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通訊?；Q性是不同生產(chǎn)廠(chǎng)家性能類(lèi)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(xiàn)、同軸電纜、光纖、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)、射頻。同時(shí)能夠適應環(huán)境惡劣的工業(yè)現場(chǎng)，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數據傳輸方式。遠程i/o通信中采用“周期i/o方式交換數據”，按照主從方式存取控制，其帶的通信處理器作為主動(dòng)站，其它遠程i/o單元皆為從動(dòng)站。在主站設立一個(gè)“遠程i/o緩沖區”，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據存放于遠程i/o緩沖區中。這樣周而復始，使主站中的“遠程i/o緩沖區”得到周期性刷新。在主站中的cpu單元負責用戶(hù)程序的掃描，它按照循環(huán)掃描方式進(jìn)行處理，每個(gè)循環(huán)掃描周期都有一段時(shí)間集中進(jìn)行i/o處理，這是它對本地i/o單元和遠程i/o緩沖區進(jìn)行讀寫(xiě)操作；盡管主站中的cpu單元沒(méi)有直接對遠程i/o單元進(jìn)行操作，但是由于主站中遠程i/o緩沖區和遠程i/o單元是一一對應的，所以主站cpu對遠程i/o緩沖區進(jìn)行讀寫(xiě)操作，就相當于直接訪(fǎng)問(wèn)了遠程i/o單元?；诘聡鴗urck的遠程i/o通訊總線(xiàn)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(xiàn)，遵守profibus總線(xiàn)協(xié)議，以工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)標準為依據。其整個(gè)系統位于危險區的從站和各類(lèi)儀表，所以現場(chǎng)必須用本安防爆箱。整個(gè)系統由各類(lèi)i/o模塊、適配卡、通訊卡、通訊總線(xiàn)(專(zhuān)用電纜或光纖)、網(wǎng)關(guān)(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(lèi)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系統和turck的遠程i/o在化工廠(chǎng)搭建起來(lái)的控制來(lái)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、甲醇罐區和火炬系統。其可用于小型系統，一套系統模擬輸入不超過(guò)300點(diǎn)，其每一個(gè)點(diǎn)對應一個(gè)地址；其次就是可應用于環(huán)境比較差的工業(yè)現場(chǎng)，比如易燃易爆，有毒有害易腐蝕；再就是可遠距離監測和控制。以硫回收來(lái)說(shuō)明整個(gè)系統的應用。

　　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(shí)，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(zhì)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(shí)適應分流法和部分燃燒法兩種工藝。

　　由于硫回收在化工廠(chǎng)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(qián)的，考慮其遠離裝置區和有毒有害、易燃易爆等特點(diǎn)，投資建一套dcs系統成本太高，而且只能在裝置區附近，對人的危害比較大。遠程i/o的運用既可以節約成本又可以和中央控制室建立通訊，一切操作和監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(guò)rs-485通訊線(xiàn)與霍尼韋爾的si卡進(jìn)行通訊，并可實(shí)現dcs的人機界面，從而監控和控制現場(chǎng)的設備。較近的工業(yè)現場(chǎng)和控制室遠程i/o采用profibus專(zhuān)用通訊電纜；硫回收距離控制室有兩公里，則可通過(guò)光纖通訊，但控制室和現場(chǎng)都得用光纖耦合器和段耦合器進(jìn)行數據轉換。profibus轉modbus是prolinx協(xié)議轉換卡，硫回收現場(chǎng)過(guò)來(lái)的信號都經(jīng)過(guò)協(xié)議轉換把profibus轉換成modbus，通過(guò)modbus通訊電纜到霍尼韋爾dcs的si卡。

　　3.3 硫回收遠程i/o站

　　硫回收現場(chǎng)各測量?jì)x表集于現場(chǎng)控制柜接到各輸入輸出卡件，信號通過(guò)控制器gdp1.5傳輸。通過(guò)profibus通訊線(xiàn)把控制器和光纖耦合器連接起來(lái)。再通過(guò)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(guò)profibus通訊線(xiàn)連接到斷耦合器，斷耦合器通過(guò)profibus通訊線(xiàn)接到dp-profibus協(xié)議轉換卡(profibus轉modbus)。協(xié)議轉換卡通過(guò)modbus通訊線(xiàn)接到dcs的si卡。si卡通過(guò)fta電纜到dcs的i/o卡件，通過(guò)i/o link傳輸數據。通過(guò)ucn電纜連到網(wǎng)絡(luò )接口模件，再通過(guò)lcn與gus連接。從gus上找到地址進(jìn)行組態(tài)，做出監控畫(huà)面即可。

　　3.4 地址分配組態(tài)和相關(guān)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(diǎn)號從小到大進(jìn)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(shí)無(wú)需區分本地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。編程根據硬件分配，可以離線(xiàn)進(jìn)行。組態(tài)軟件是應用prolinx的開(kāi)發(fā)軟件，離線(xiàn)組態(tài)完成后進(jìn)行在線(xiàn)下裝，程序一旦下裝不能再讀出來(lái)，所以要保證組態(tài)的正確性，下裝完成后要對組態(tài)進(jìn)行備份以免以后需要改動(dòng)，同時(shí)也便于檢查錯誤。遠程i/o遠程模擬量除溫度以外(當然如果現場(chǎng)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(guò)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(mén)開(kāi)度

　　通過(guò)順空計算出測量結果，在dcs啟動(dòng)順空，再把順空軟點(diǎn)做到監控畫(huà)面，通訊正常后就可以對現場(chǎng)的設備進(jìn)行監控和操作了。使用編程器對系統進(jìn)行硬件組態(tài)(包括網(wǎng)絡(luò )組態(tài))，把組態(tài)數據下載(下傳/裝載)到協(xié)議轉換卡的cpu中。

　　(2) 注意事項：使用編程器對系統進(jìn)行硬件組態(tài)(包括網(wǎng)絡(luò )組態(tài))，把組態(tài)數據下載(下傳/裝載)到協(xié)議轉換卡的cpu中。其次，在分配profibus—dp網(wǎng)絡(luò )中的各種從站的網(wǎng)絡(luò )地址不能有任何相同或重復，并且保證在網(wǎng)絡(luò )組態(tài)中的網(wǎng)絡(luò )地址與遠程i/o站上的dip開(kāi)關(guān)的設定相同。profibus—dp現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行數據交換，所以profibus—dp現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的第一個(gè)站和最后一個(gè)站的終端電阻必須設定。再就是必須保證profibus—dp現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)線(xiàn)連接正確與牢固，重點(diǎn)遠程i/o站采用帶雙dp口的快速連接插頭，便于現場(chǎng)用編程器調試維護設備。整個(gè)軟件下裝后通訊正常，再根據分配的地址就可以在上位機做操作畫(huà)面了，根據硫回收現場(chǎng)的測點(diǎn)和控制方案，均可以在上位機上實(shí)現。監控畫(huà)面做完以后經(jīng)過(guò)調試就可以運用了。整個(gè)系統從安裝到投運半個(gè)月即可以完成，大大節省了時(shí)間。整個(gè)系統一旦運行起來(lái)，特別穩定。

　　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，系統仍能穩定運行。第二應該使現場(chǎng)的波特率和組態(tài)軟件設置一致，軟件地址和現場(chǎng)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(xiàn)插拔，但必須另外一個(gè)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(kāi)關(guān)頭上設置，開(kāi)關(guān)頭on即設為終端，并且終端必須在系統的最終端，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別，turck的遠程i/o必須采用單膜光纖。第七必須分清卡件類(lèi)型，搞清內外供電，以便選擇輸入輸出卡件，如果是數字量輸出點(diǎn)應加繼電器，不然i/o卡件帶動(dòng)不起設備，除非是外供24vdc電源。第八接線(xiàn)方式應注意ai40接接線(xiàn)端子1、2，ai41接接線(xiàn)端子3、4，如果接錯信號將無(wú)法傳輸。以上是在實(shí)踐中積累的一些經(jīng)驗，希望能給大家帶來(lái)幫組。

4 結束語(yǔ)

　　由于以上分析介紹，說(shuō)明遠程i/o理論學(xué)習簡(jiǎn)單方便，只要懂得其原理和結構分布，初學(xué)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，首先它節省了大量的資金，同時(shí)和dcs通訊實(shí)現了遠程集中控制，能及時(shí)準確的監控現場(chǎng)，確保正確的操作，再就是運行相當可靠給維護人員帶來(lái)了很大方便。遠程i/o給新型大的化工廠(chǎng)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、節約成本和時(shí)間，對整個(gè)系統的長(cháng)周期穩定運行提供了保障。