1、Jul,2023AUTOMATION IN PETRO-CIEMICALINDUSTRY2023年7 月石自Vol.59,No.4动油化第59 卷化第4期DCS远程通用I/O技术在石油化工装置中的设计与应用李成凯，范宗海1，张晓刚，钟坤，王国庆（1.中国石化工程建设有限公司，北京10 0 10 1；2.浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州3 10 0 53）摘要：为了降低石油化工装置及现场配套设施控制系统的全生命周期成本，具有通用化程度高、软件定义硬件、部署灵活等特点的通用I/O技术解决方案得到广泛研究和应用。介绍了通用1/O技术中的关键技术和分布式应用技术，以及远程1/O接线箱在防爆、通信、恶
2、劣环境运行时的要求，分析了通用1/O分布式工程应用。实际应用表明：通用1/O技术具有数字化、集成化、通用化、支持远程部署的特点，能够减少机柜间接线与交叉布线，节约工程建设成本，缩短设计与建设周期。关键词：通用I/O技术；软件定义硬件；工业控制系统中图分类号：TP273文献标志码：B文章编号：10 0 7-7 3 2 4(2 0 2 3)0 4-0 0 3 3-0 4Design and Application of DCS Remote Universal I/O Technology in Petrochemical InstallationLi Chengkai,Fan Zonghai,Z
3、hang Xiaogang,Zhong Shen,Wang Guoqing(1.Sinopec Engineering Incorporation,Beijing,100101,China;2.ZhejiangSupcon Technology Co.Ltd.,Hangzhou,310053,China)Abstracts:To reduce the full lifecycle cost of control systems of petrochemical installation andon-site supporting facilities,solutions of universa
4、l I/O technology with the characteristics ofhigh universality,hardware defined by software,flexible deployment and etc.have beenwidely studied and applied.The key technology and distributed application technology ofuniversal I/O,and the requirements on anti-explosion,communication and severe conditi
5、onsfor the remote I/O connecting box are introduced.The project applying of universal I/Otechnology is analyzed.The actual application indicates that the universal I/O technology hasthe characteristics of digitization,integration,universalization and supporting remotedeployment.It can reduce the con
6、necting and crossing wiring among the cabinets,and save theproject constructing cost,and shorten design and construction period.Key words:universal I/O technology;software-defined hardware;industrial control system在现代大型石油化工工厂中,DCS对工厂的自动化、信息化和智能化起着重要的作用，作为DCS重要部分的输人输出（I/O)模块，在技术和产品方面也在不断送代，呈现出新的特性。常规
7、DCS中，通常在I/O模块上集成多个相同类型的I/O通道连接同类信号，I/O模块均布置在控制室或机柜室的控制系统机柜中，现场控制仪表通过电缆将信号连接到DCS的I/O通道上。随着石油化工工厂的规模越来越大，智能化程度越来越高，信号数量越来越多，设计周期越来越短，采用常规单一功能的I/O模块对于设计周期和系统交付造成了新的挑战。为适应各行业数字化、智能化发展需求，各DCS供应商相继推出了通用I/O技术的智能解决方案，I/O模块从功能单一向通用化，集中部署向现场分布式部署转变，可提高控制系统交付速度、降低施工成本、缩短项目建设时间。目前，分布式通用I/O技术已经显示出大规模推广应用的趋势1通用1/
8、O关键技术常规I/O模块的通道只支持某一类信号，大型石油化工工厂或装置通常将I/O模块统一布置于DCS的系统机柜内，来自现场的仪表控制电缆稿件收到日期：2 0 2 3-0 4-18，修改稿收到日期：2 0 2 3-0 5-17。作者简介：李成凯（19 8 6 一），男，2 0 11年毕业于北京化工大学控制理论与工程专业，获工学硕士学位，现就职于中国石化工程建设有限公司仪表自控室，主要从事石油化工自动化及仪表专业的设计工作，任高级工程师。34第59 卷石油化工自动化按照信号类型接人相应的仪表端子柜，再按照I/O模块的通道数接人到系统机柜。随着生产装置控制系统规模的增加，应用功能单一的I/O模块机
9、柜越来越多，现场机柜室占地面积越来越大，建设成本越来越高；大量机柜间接线，排查维护不便；在DCS采购前需要确定每种类型信号的数量，DCS机柜设计、制造周期等。通用I/O模块的每个通道可通过软件独立设置信号类型，现场的不同信号可以接入到同一个I/O模块中，大幅减少机柜的数量和类型，通过采用光纤通信节省大量控制电缆，提高了工程实施质量。1.1支持信号类型完整性技术石油化工装置中的信号包括AI,AO,DI,DO，TC,RTD等，适用于石油化工行业的通用I/O必须同时支持所有信号类型，才能实现真正的通用。如对于AI信号，通用I/O模块应直接支持2 线制、3 线制，有源、无源等各种连接方式；对于DI信号
10、，应直接支持干触点、继电器隔离、NUMAR等各种模式。1.2高速信号采集技术由于同时支持所有信号类型，通用I/O模块的接口电路复杂度相应增加，电路之间的相互干扰耦合也增加。受模数转换芯片发展水平以及抗工频干扰要求的限制，常规I/O模块的AI采样周期通常需要50 ms甚至2 0 0 ms以上。为适应石油化工装置平稳运行的要求，多片数模转换器(ADC)并行迭代采样的方法被应用到通用I/O模块中，在通用1/O模块的每个通道设置独立的ADC,前端利用ADC进行高速采样，在后端使用可编程门阵列（FPGA)对采样数据进行高速拼接和工频滤波，实现10 ms高速高精度AI采样。1.3通道类型在线切换技术通用I
11、/O模块是通过软件定义通道类型的智能1/O模块，很好地解决了装置运行过程中信号变更的问题。增加或变更I/O信号，只需要在软件中对变更的通道进行重新定义并下装即可。与常规单功能I/O模块一样，通用I/O模块也是多通道的。当一个通道变更时，其他通道可能正处于工作状态，这就要求控制系统能够实现通道级在线切换，在新组态下装及组态切换过程中，未变更的信号通道不发生间断和扰动。通用I/O模块每个通道都支持多种功能，尤其是用做多个HART变量的AI/AO功能时，需占用内存多。通过采用一种通道内存索引分配的方法，确保未变更通道的内存不变，实现通用1/O模块的通道类型在线切换。2通用1/0 分布式应用技术为降低
12、仪表控制电缆的设计和施工成本，减少机柜数量和机柜间面积，将通用I/O模块及相应附件组成远程I/O接线箱，并进行现场分布式部署是一种可行的方案。远程I/O接线箱可以尽可能近地布置到仪表附近，大幅减少电缆长度。远程通用I/O模块通过光纤数字总线与控制器进行通信，获取配置信息和输出信号设定值，同时回传模块当前状态；通过与现场设备之间电流信号或开关信号的传输，实现如阀门、定位器等现场设备的控制。2.1防爆技术石油化工生产装置经常存在爆炸危险气体，远程I/O接线箱在现场部署时必须满足防爆和防护要求，获得CCC强制性产品认证。具体要求如下：1）危险区域适应能力。石油化工现场装置基本处于爆炸危险环境中，对于
13、现场仪表，可能安装于2 区、1区，也可能安装于0 区；对于远程I/O接线箱，由于和现场仪表仍使用电缆连接，可以不具备在0 区直接使用的能力，但至少应可以在2 区部署。2）防爆形式选择。根据GB/T3836.12021爆炸性环境竞第1部分：设备通用要求1规定，在2 区危险区应用的防爆电气产品可以采用多种防爆形式。结合远程I/O接线箱技术原理和石油化工现场装置特点，可采用多种防爆形式结合的方式。如2 2 0 V配电箱使用隔爆型，远程I/O接线箱采用增安型，连接仪表的端口采用本安或者隔爆型。2.2穴余通信技术现场的远程I/O接线箱和控制室的主控制器通过光纤数字总线交互数据。对于通用I/O模块，传输的
14、数据不仅包含42 0 mA数据，还包含HART辅助变量数据，用于诊断、维护、管理的非周期命令等。假设一对允余的总线上需传输10 0 0 台仪表的数据，加上HART变量数据，按照10 0 ms的周期进行刷新，需要传输的数据量可能超过200KiB/s，需要占用2 MiBit/s的总线带宽，因此应采用至少10 MiBit/s传输能力的数字通道，如100/1000M的工业以太网。在使用10 0 M工业以太网的情况下，数字通信总线的平均负荷率低于2%，可满足大规模数据周期传输的需求，还可满足关键数据快速响应的需求。2.3恶劣环境适应性鉴于远程通用I/O接线箱安装于室外露天环35第4期李成凯等.DCS远程
15、通用I/O技术在石油化工装置中的设计与应用境，需要适应高温、高湿、盐雾、沙尘、雷击、台风、暴雨等应用条件。通过热仿真软件，对远程通用I/O接线箱进行热仿真建模，得到远程接线箱内温度分布，如图1所示。通过热仿真结果可知，远程通用I/O接线箱顶部温升较高，主要原因是电源等发热模块部署于接线箱顶部，箱内热量积聚于顶部，无法快速散出，导致接线箱顶部出现高温。建模仿真的同时搭建实际测试环境（环境温度为3 8.4），选择接线箱顶部、左侧底部，右侧中部三个区域进行现场运行测试，测试结果见表1所列。47.8545.01电源区通信模块42.3342.1641.05I/O区1/O区I/O区39.2538.9638
16、.7627.6926.8826.54图1远程通用I/O接线箱温度分布示意表1不同测试环境和测试方法下的温度测试结果测试方法测试结果产品置于露天环境，周围5m范围内无遮挡，通电运无遮阳棚远程通用I/O接线箱：连续运行3 0 d，在高温暴行，试验前机柜各单元部件运行功能正常，在监控趋势晒、雷雨天气等恶劣环境下，运行稳定，通信正常，实时信号正画面记录机柜内各温区温湿度曲线常，无异常故障报警，运行状态正常试验期间箱内温度分别为38.5/64.52/73.5产品置于露天环境下，经受高温暴晒、雷雨天气等恶有遮阳棚远程通用I/O接线箱：系统连续运行3 0 d，在高劣环境，记录箱体内外最大温升，记录产品运行状态诊温暴晒、雷雨天气等恶劣环境下，运行稳定，通信正常，实时信断信息号正常，无异常故障报警，运行状态正常试验期间箱内温度38.94/48.25/59.06远程通用I/O接线箱在现场安装时，应安装在桥架或有遮挡物的阴?处，配置遮阳棚等措施，降低远程通用I/O接线箱内温度。3通用1/O技术的工程应用通用I/O技术应充分考虑石化装置存在的高温、高湿、雷击、暴雨、腐蚀、振动等恶劣环境条件。对比常规DCS的工