远程I/O技术方案在氯碱行业中的应用

刘振兴，王中军，牟克田

（青海盐湖工业股份有限公司化工分公司，青海 格尔木 816000）

远程I/O技术方案在氯碱行业中的应用

刘振兴，王中军，牟克田

（青海盐湖工业股份有限公司化工分公司，青海 格尔木 816000）

新型的远程I/O系统是将传统的4～20 mA信号以及开关量信号通过相应的I/O模块转换成数字信息，再通过通讯网关将数字信息以各种通用的开发式通讯协议，如MODBUS、Profibus－DP、Profibus－DP V1、Foundation Fieldbus等，传输到DCS/PLC等系统中实现远程监控的一种技术手段。

远程I/O；信号采集；通讯协议；技术优势；成本优势

近些年来，随着氯碱行业的逐渐发展壮大和产能的不断提升，对仪表自控专业提出了更高的要求，尤其是在监控点数较多的项目中，传统的控制系统结构逐渐暴露出了诸多弊端。新型的远程I/O技术和DCS第三方通讯技术是目前最先进的远程控制技术之一，具有很强的技术优势和成本优势，该技术在行业中的广泛应用降低了项目建设成本和工厂的后期维护费用，产生了很好的经济效益。本文以青海盐湖工业股份有限公司100万t/a钾肥产品综合利用项目一期VCM装置14万t/a扩能改造工程中远程I/O技术方案的应用为例，探讨了该技术在氯碱行业中的应用及成果。

VCM（氯乙烯）是生产PVC树脂的主要原料。合成转化是VCM生产过程中的一个重要工序。在该工序中乙炔和氯化氢经混合冷冻脱水，在以活性炭为载体、氯化汞为触媒的列管式转化器内进行合成，生成氯乙烯（VCM）。反应过程中每台转化器内的十二点温度是重要的控制参数。温度过低会降低反应速度，温度过高又会造成触媒的热分解以及副反应的加剧。该公司100万t/a钾肥产品综合利用项目一期VCM装置14万t/a扩能改造工程是在原来具有18台VCM转化器的一期VCM装置基础上进行扩建的，新增了12台VCM转化器，单台转化器上安装有三点式热电偶4支、热电阻2支、压力开关1台，单台共计12个热电偶（TC）信号、2个热电阻（RTD）信号、1个干接点压力开关信号。12台转化器总计有4×3×12=144（个）热电偶信号，2×12=24（个）热电阻信号、12个干接点压力开关信号。

1 扩建前的控制系统结构

原18台转化器共计有4×3×18=216（个）热电偶信号、2×18=36（个）热电阻信号、18个干接点压力开关信号，所有温度测控点采用传统的控制方式，即现场一次元件→接线箱→端子排→变送器→安全栅→端子排→IO卡件→Honey Well DCS控制系统。这种控制方案线路复杂、故障率高、维护量大，建设期间需要架设大量的电缆桥架、敷设大量的仪表电缆，还需要大量的接线端子、穿线管、防爆接线箱以及增加DCS模拟量输入卡件16块、安全栅252块、温度变送器252台及其他安装材料，除了项目建设期间数额较大的设备材料费及人工费用外，开车后的维护费用也是相当可观的。

2 远程I/O技术方案

远程I/O系统是将传统的4～20 mA信号以及开关量信号通过相应的I/O模块转换成数字信息，再通过通讯网关将数字信息以各种通用的开发式通讯协议传输到DCS/PLC等系统中实现远程监控。远程I/O系统可安装在危险区1区（Zone1）或危险区2区（Zone2），接收来自危险区0区（Zone0）或危险区1区（Zone1）的RTD、TC信号和开关量信号。来自现场一次元件的RTD、TC信号和开关量信号直接进入安装在主底板上的IO模块，再通过冗余配置的2个通讯模块采用目前成熟的流行且公开的通讯协议传输到上位机（Honey Well DCS控制系统）上实现通讯，通讯总线采用EExe增安型防爆方法，因此，在控制室内无需隔离栅或接收器，可节省大量的硬件资金的投入。通讯协议目前可支持MODBUS，Profibus-DP，Profibus-DP V1，Foundation Fieldbus等通讯协议，可与 Honey Well、SIEMENS、DELTA V、ABB、FOXBORO、YOKOGAWA、ROCKWELL、MODICON等目前流行的绝大多数DCS/PLC集成见图1。

图1 DCS/PLC集成图

3 远程I/O系统结构及特点

远程I/O站集成在箱体内，箱外设计有引入的压缩空气或仪表风，可供箱内散热之用。箱内安装有主底板、IO模块、电源模块和通讯模块。主底板采用与IO模块分离式设计，1个主底板最多可允许安装22个IO模块，根据应用需要可安装单通道模块，也可安装多通道模块。多种IO模块可供选择，包括HART通讯模块。主底板可扩展1个扩展底板，增加IO模块插槽，所有I/O模块可直接插入底板中。每个IO站配备2个冗余的通讯模块，由RS485接口连接通讯电缆传输信号至DCS控制系统，实现2条通讯总线的冗余技术。远程IO系统所有的IO组态数据被保存到通讯网关内，当某一模块故障时，可以很容易的将一个没有组态的新模块更换上。当新模块插上时，备用通讯模块马上更新组态数据，新模块即刻正常运行，如果插入1个与原先组态数据不一致的模块时，系统自动识别，不会对其他正常模块产生不良影响见图2。对于通讯模块也是如此，组态数据可通过RS485从控制系统下装，冗余系统可自动执行。每个IO站的配电由3个电源模块组成，2路独立外部供电，实现供电冗余，其中任意一个故障时，系统自动报警提示，最大限度的增加系统安全性和可靠性。

图2 远程IO站主底板及IO模块图

4 远程I/O系统的优势

4.1 技术优势

（1）采用隔离技术和多重防爆技术，使得IO站本身可装于危险区域，同时其IO分支可连接本安回路，即具有隔离栅功能。

（2）冗余网关技术，可充分保证系统通讯的可靠性。

（3）模块SIL2认证，保证系统安全和可靠性需求。

（4）多种网关通讯协议选择，MODBUS FFPROFIBUS等网关协议充分保证与用户系统的完美集成，开放的、通用的协议便于用户使用和降低成本。

（5）独特的内部结构设计，使得IO站模块可在现场带电拔插和维护。

（6）采用MODBUS RTU技术，可实现远程维护。

（7）冗余网关采用自动同步与镜像技术，可以在线更换网关而无需重新组态，所有组态数据均存在网关中，因此，在线更换IO模块后也无需重新组态即可使用。

（8）内置线路检测功能，可检测IO线路短路或断路，并通过LED报警输出。

（9）单通道，多通道，AI/AO/DI/DO以及温度、频率模块可以选择，各种模块可以在同一IO内随意组合，同一站最大可有80个AI/AO或184DI/DO。

4.2 成本优势

拥有以上新技术，在系统成本方面，较传统解决方案来说，也具有明显的优势，无论是在设计、安装或者交工资料等方面均可节省投资。

（1）节省隔离式安全栅。

（2）节省DCS或PLC IO卡件。

（3）大量节省接线端子与电缆以及电缆安装桥架等。

（4）节省大量工程施工费用和运行维护费用。

（5）节省控制机柜和控制室面积。

以100个点为例，采用远程IO系统后，接线端子由原来的1 600个减少为404个，节省了安全栅和DCS的IO卡件。由于远程IO可安装在危险区域，大大节省了电缆费用，以及相关安装附件及人工费用。

远程I/O技术做为一种先进的控制方式引入和应用在青海盐湖工业股份有限公司化工分公司PVC厂，其明显的技术优势和成本优势已经在该公司得到了充分的体现，节省了大量的资金。随着该技术的不断完善和改进，相信其在氯碱行业中更广泛的应用将会对社会产生更为深远的影响。

Application of remote I/O technology in chlor alkali industry

LIU Zhen-xing，WANG Zhong-jun，MOU Ke-tian
（Qinghai Salt Lake Industry Co．,Ltd．Chemical Branch，Golmud Qinghai 816000，China）

New remote I/O system is the traditional 4～20 mA signal and switch signal by the corresponding I/ O modules converted into digital information，through communication gateway will digital information in a variety of common development of communication protocols，such as MODBUS，Profibus－DP，Profibus－DP V1，Foundation Fieldbus and transmitted to DCS/PLC and system realization of a type of remote monitoring technology．

remote I/O；signal acquisition；communication protocol；technology advantage；cost advantage

TB486+3

B

1009－1785(2016)12－0034－03

2016-05-19