远程输入/输出系统在仪表实训基地的应用

徐进涛　徐卫敏

(中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部，上海200540)



远程输入/输出系统在仪表实训基地的应用

徐进涛徐卫敏

(中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部，上海200540)

摘要：介绍了图尔克远程输入/输出(I/O)系统的结构、网络构成、工作原理、项目中远程I/O系统的硬件配置、项目中实际通讯方式和系统的组态配置，并对系统应用经验和优势进行归纳和总结，认为远程I/O系统可以为企业节约大量的工程建设费用，减少企业用工，提高企业的工作效率。

关键词：远程输入/输出系统工作原理优势实训基地

石化企业采用集散控制系统(DCS)时，所需仪表电缆和设备较多，在项目建设费用中所占比例不容小视。随着工业自动化水平的不断提高，各类新技术及新设备接连不断地产生，现场总线技术也不断成熟，图尔克远程输入/输出(I/O)系统由此产生。采用远程I/O系统后，现场的各类仪表只需通过仪表电缆与I/O系统的I/O设备接口点对点的连接，信号进入系统后即被I/O模块转换为数字信号，再经过系统内部总线传送到网关，然后由网关将信号传送到上一层的开放总线上，最后经开放总线到达DCS或者可编程逻辑控制器(PLC)系统。现场总线技术发展迅速，尤其是在工业过程控制领域，产品日趋完善，并得到了广泛的应用。目前，全世界已安装的系统超过1 800套，已安装的现场设备超过4万台，其中，在中国已安装系统超过100套，现场设备超过4 000套[1]。

某炼化企业于2014年开始新建仪表实训基地，主要包括现场仪表演示室、仪表校验室、组合式过程控制实训室、PLC系统实训室、控制系统与过程控制实训室。在控制系统与过程控制实训室的建设中，引入近年来发展非常迅速的图尔克远程I/O系统，在此对I/O系统的特点和配置等进行介绍。

1图尔克远程I/O系统介绍

1.1系统结构

图尔克远程I/O系统由系统母板、冗余的电源模块、冗余的网关模块、各种I/O卡件组成，远程I/O系统通过总线接口与DCS、PLC系统通讯。单个远程I/O系统对于开关量信号采集周期小于5 ms，对于模拟量信号采集周期小于20 ms，同时系统具备卡件故障指示功能，仪表回路出现开路或者短路检测功能。

所有的模块均可在线插拔而不会中断系统正常的数据通讯，网关和电源模块在系统冗余配置的情况下才允许进行热插拔。

1.2系统网络构成

如果远程I/O系统与DCS/PLC系统之间的距离小于1.2 km，则远程I/O系统只需要通过Profibus-DP电缆与控制室内的段耦合器相连，然后再连接DCS/PLC系统。

如果远程I/O系统与DCS/PLC系统距离大于1.2 km，则需要使用光纤连接的方式，远程I/O系统首先通过Profibus-DP电缆连接到现场侧的光纤耦合器OC11EX/2G，然后再通过光纤连接到控制室光纤耦合器OC11EX/3G上，最后再通过Profibus-DP电缆直接连接到DCS/PLC系统上。

1.3工作原理

现场的各类仪表通过仪表电缆与图尔克远程I/O系统的I/O设备接口实现点对点的连接，信号进入系统后即被I/O模块转换为数字信号，再经过系统内部总线传送到网关，然后由网关将信号传送到上一层的开放总线上去，最后经开放总线到达控制系统(DCS/PLC)。由控制系统发出的信号则经过相反的路径进行传输，整个远程I/O系统的供电由系统母板上连接的电源模块提供。

2项目情况

2.1远程I/O系统仪表配置

图尔克总线式本安远程I/O系统硬件配置清单介绍请见表1所述。

表1　系统硬件配置清单

项目采用MT18-R024型号的母板，母板的左侧上方留有安装两个电源模块和两个网关模块的接口，在接口的下方分别对应着用来连接外部供电电源的采用增安保护形式的接口和用来设定总线地址的3个十进制旋钮，及用来连接外部上层现场总线的总线接口。在母板上方，网关接口的右侧是各种I/O模块的连接接口，母板内部通过冗余的内总线将这些接口连接起来。各I/O模块的电源供应是通过母板内的供电系统来完成的。在各I/O模块接口的下方，对应着用来连接现场设备的I/O设备接口，来自现场设备的信号线通过可插拔的接线端子与之进行简单的连接。母板最多可以连接16路I/O模块，2个电源模块，最多可连接128个开关量或者64个模拟量的输入或者输出。

电源模块为24 V直流电源，可连接18～32 V的外部供电电源。供电系统综合运用了密封式、增安型和本质安全型3种防爆方法，再加上电源冗余配置，确保了电源系统的绝对安全，而且电源最大输出功率为60 W。

电源滤波器用于改善启动特性，增加操作稳定性的电容器，采用电源滤波器主要用于对外部直流电源中交流部分的过滤，确保电源模块的供电质量要求。其中网关模块用于将I/O系统与上层的现场总线网络相连，冗余配置的网关可以确保数据传输的高可靠性。网关最大的数据传输速率为1.5 MB/s，它是通过位于母板上的标准的小型D-SUB接插件而不是直接与上层的现场总线相连，这就可以保证插拔网关时不会中断总线的通讯。

图尔克远程I/O系统的I/O模块包括数字量的输入和输出模块、模拟量的输入和输出模块(支持HART协议信号的传输)、温度(热电阻或热电偶)输入信号处理模块三大类共8种。其中本项目采用的AI40EX模拟量输入模块主要用于连接本质安全型的4路2线制变送器，而且现场的模拟信号为无源信号，卡件可以实现输入回路的短路和断路监控功能。AOI40EX模拟量输出模块可以最多连接4个4～20 mA的本安执行器，同时也可以对每个通道的短路及断路进行监控；DI40EX数字量输入模块用于连接NAMUR传感器和机械触点的模块，可以连接4个NAMUR接近开关或者接线触点，同时也可以对输入回路的短路和断路进行监控；DO40EX数字量输出模块用于连接4个本质安全执行器，如低功率的电磁阀或者指示器，也具有短路和断路监控功能；TI40EX用于温度信号检测的输入模块，可以检测电压或者电阻信号，可以连接2、3、4线制的热电阻或者热电偶仪表，整个卡件可连接4路温度信号，同时也具有输入回路的短路、断路监控功能。

端子板主要起到现场仪表与远程I/O系统的中间连接，同时通过不同的接线方式将有源信号或者无源信号接入系统。

仪表防爆箱箱体本身采用不锈钢或碳钢材质，整体焊接制作，可直接安装在防爆区域为1区或者2区的装置现场，配合远程I/O系统，方便用户在危险场所中的应用、维护工作。

2.2远程I/O系统与DCS系统通讯

DCS采用的是霍尼韦尔的PKS(process knowledge systems，过程知识系统)，由于远程I/O系统与DCS距离非常近(约200 m)，远小于1.2 km，而且装置现场属于防爆2区，所以无需段耦合器将远程I/O系统与DCS之间隔离。而具体的通讯实现是图尔克远程I/O系统中的数据首先通过图尔克远程I/O系统的母板上的总线接口，接着通过PROFIBUS-DP总线电缆连接到霍尼韦尔的PKS的Profibus-DP通讯卡件上，最终传递到DCS中，通讯协议采用Profibus通讯协议。

2.3系统配置情况

硬件方面配置主要是在系统母板上有3个用来设定总线地址的十进制旋钮，项目设置的硬件地址为3。

软件方面，首先在霍尼韦尔公司的PKS上安装SYCON.NET的软件，然后将图尔克的GSD通讯文件拷贝到C:ProgramDataSYCONnetPROFIBUSGSD文件夹，在软件上设置站地址为3，通讯是否冗余，设置通讯协议为Profibus-DP协议，通讯波特率为187.5 kbit/s，然后对卡件位置和数据类型、输入还是输出进行组态设置，最后设置仪表的位号、通道位置、仪表位号的描述，但是模拟量需要注意的一点是：因为传输的数据是0～21 000的一个值，4～20 mA对应4 000～20 000,需要设置增益和偏置才能对应工程单位的数值，最后即可完成单点、通讯进行测试和调试工作。

3系统应用

3.1仪表防爆箱的安装

仪表防爆箱最好安装在避光、避雨淋、避雷击的场所，而且周围无大功率的电气设备，必要时可以给仪表箱正压通风，仪表防爆箱只能安装在防爆1区或者2区内。

3.2系统卡件的在线插拔

所有模块均可在线插拔，不影响系统的正常工作，给系统的检修及维护带来极大的便利。但是电源模块的接线端子为增安型仪表，不可以在线进行检修，检修前需要在控制室内完成断电工作。

3.3Profibus通讯速率设置

通讯速率快，容易导致错误率高，但是通讯速度慢，达不到装置生产监控的要求。根据项目经验，推荐187.5 kbit/s的速率。

3.4Profibus-DP通讯电缆铺设

Profibus-DP通讯电缆铺设时要避开大功率的电气设备，以及强磁场区域，同时也要避开强电电缆，最好与4～20 mA的仪表保持一定的距离，在电缆桥架铺设时有条件时最好穿在穿线管中，尽最大的可能避免强电、强电场的干扰。

4系统优势

4.1降低了设计强度

如果新建装置采用传统的DCS控制系统，则首先是现场仪表信号通过仪表电缆连接到现场接线箱，仪表电缆再通过电缆桥架铺设到机柜室的端子柜，然后再去安全栅或者继电器柜，最后再去DCS的FTA端子柜。因此设计院在项目设计时需要完成系统机柜、电缆桥架、安全栅、DCS的I/O卡件等仪表材料的选型、安装的设计等多项工作。

采用图尔克的远程I/O系统则可直接将系统安装在装置危险1区或者2区内，直接与传统现场仪表实现点对点的连接，再通过一根PROFIBUS-DP总线与控制器相连接即可。设计院在项目设计时，则不需要考虑系统柜、电缆桥架、安全栅、DCS系统I/O卡件的选型以及安装等设计，不仅节约了设计时间，同时也降低了设计院的劳动强度。

4.2节约仪表材料费用

由于图尔克远程的I/O系统可直接安装在装置危险1区内，与传统现场仪表实现点对点的连接，与控制系统使用一根PROFIBUS-DP总线连接即可。与常规的DCS控制方案比较，不需要购买中间端子柜、安全栅以及安全栅柜，同时还可以节约仪表电缆的使用、电缆桥架、DCS系统I/O卡件和DCS系统柜的购买，达到缩小控制室机柜间要求，通过此项改造仅电缆的费用就比传统方法节省了80%以上。

4.3缩短仪表的施工周期，节约施工费用

由于图尔克远程的I/O系统可直接安装在装置危险1区或者2区内，通过与传统现场仪表实现点对点的连接的方式，与控制系统使用一根PROFIBUS-DP总线连接即可。与常规的DCS控制方案比较，无需对中间端子柜、安全栅、安全栅柜，DCS系统柜进行安装，同时也减少了很大一部分仪表电缆、仪表接线、电缆桥架的铺设，节约了施工时间，同时系统组态非常方便，减少用工，节约施工费用。

4.4系统扩展和升级更加简单方便

如果是DCS系统扩展，需要考虑机柜间有无中间端子柜、安全栅柜以及DCS系统柜的安装控制，仪表备用电缆是否有空余，同时如果在线新增控制器和I/O卡件，需要DCS在线下装，但在线下装存在一定的风险性。而采用远程I/O系统，则无需考虑此因素。首先控制室不需为新增的远程I/O系统预留空间，只需在系统DP接口卡处理能力不足的情况下，为新增I/O站预留一个DP接口卡槽位。同时每一个DP网段允许连接127个I/O子站接点，因此新增的现场仪表——I/O子站可直接挂接在已有的网络上，不需对控制系统进行任何改动，对系统中无任何影响。

4.5远程I/O系统的监控范围更广

一般情况下，如若采用集散控制系统，现场仪表与DCS系统最远距离一般不超过600 m。如果现场与DCS距离超过600 m，只能通过新建一套DCS系统来实现。而远程I/O系统的出现后，则可以不需要新增一套DCS系统。如果不采用光纤通讯，远程I/O系统可以达到与控制室距离最大1.2 km，如果采用光纤通讯，远程I/O系统可以与控制室的距离更远，可以达到2.5 km。

5结语

通过采用远程I/O系统后，不仅可以节省大量的电缆、安装附件及相应的人工费用，仅电缆的费用就比传统方法节省了80%以上，同时还可以节省大量的DCS的I/O卡件，这就为更大范围的仪表集中控制提供了强有力的保障。远程I/O系统不仅可以为企业节约大量的工程建设费用，同时还可以为更大范围仪表的集中控制提供技术方案，减少企业劳动人员的用工，提高企业的工作效率，最终提高企业的经济效益。

参考文献

[1]解怀仁,杨彬彦主编.石油化工仪表控制系统选用手册[M].北京：中国石化出版社，2004.

Application of Remote Input/Output System in the Training Base of Instrumentation

Xu Jintao,Xu Weimin

(AromaticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)

ABSTRACT

Keywords：remote input/output (I/O) system,working principle,advantage,training base

收稿日期：2015-11-16。

作者简介：徐进涛，男，1987年出生，2010年毕业于常州大学自动化专业，工学学士，工程师，主要从事于仪表管理工作，已发表论文4篇。

文章编号：1674-1099(2016)01-0054-04中图分类号：TH862

文献标识码：A

Regarding the Turck remote input/output (I/O) system,the structure,network constitution,working principle,and hardware configuration,actual communication mode and system configuration in the project were introduced.The application experiences and advantages of the system were summarized.It was concluded that the remote I/O system could save a large of construction costs for enterprises,and reduce employees,so as to improve the efficiency of enterprises.