本安型远程I/O 系统在反应器表面温度在线监测中的应用

荣俊胜

（陕西时代能源化工有限公司）

远程I/O 系统是一种具有通信功能、 能够实现数据实时采集和传输的工业自动化产品，这种系统通常由电源模块、通信网关、I/O 模块及底板（或总线接口）等组成。 远程I/O 系统中没有控制器， 因而它本身不具备回路控制和调节功能，仅在现场设备与自动化控制系统 （如PLC、DCS 及SCADA 等）之间起到连接作用。 它将现场测量数据实时传输到控制系统，同时实时接收控制系统输出的指令并传输到相应的现场设备。 远程I/O系统与自动化控制系统之间的连接通过基于现场总线技术的通信方式实现，不同制造商或品牌产品的通信方式不尽相同，工业场合常用的通信方 式 主 要 有PROFIBUS-DP、PROFINET、Modbus RTU、Modbus TCP、DeviceNet、CANopen 及Ethernet/IP 等［1］。

远程I/O 系统具有成本低、易扩展、配置灵活及运行维护便捷等特点。 例如，与自动化控制系统之间的连接只需要一根通信线缆，大量节省了计算机信号线缆或控制线缆，也减少了控制系统本身的I/O 点数；现场设备信号类型变化时，只需更换相应类型的I/O 模块即可。 自20 世纪以来，远程I/O 系统已经被广泛应用于工业的各个领域，如工业自动化、轨道交通、仓储物流及能源电力等场合。

1 本安型远程I/O 系统

本安型远程I/O 系统的防爆型式为本质安全型， 其防爆型式认证一般不应低于Ex ib ⅡCT4 Gb，同时能够连接具有本质安全型防爆级别的现场设备， 适用于安装和运行在爆炸危险区域，如石油、石化及化工等行业的生产装置现场。 世界上首先推出本安型远程I/O 系统的是德国斯泰尔（R.STAHL）公司，其他拥有成熟技术和丰富应用业绩的主要是德国产品，如图尔克（TURCK）、倍加福（P+F）、博太科（BARTEC），上述4 家公司产品的主要规格见表1。

2 应用情况介绍

2.1 应用场景

在某应用新工艺技术的年产10 万吨工业化试验装置中，合成反应器R001 是最关键的设备。该反应器是固定流化床反应器，直径3m，反应温度330～360℃，气相介质为CO、H2和微量固体混合物。 在反应器内部，反应气体吹动催化剂呈流化状态进行气固两相反应， 在反应区域设有冷管， 通过冷管及时将大量反应热移出反应器，维持反应温度稳定，防止反应器飞温。 反应器内部设有若干温度、压力、物位测点，用以测量其温度分布进而找出反应器中的特定参数，所有测点数据进DCS 并通过高选器进行温度调节。

表1 部分公司本安型远程I/O 系统产品的主要规格

针对该反应器还设置了一套反应器表面温度在线监测系统，该监测系统能够在DCS 中实时显示数据并报警。 温度测点在反应器外壁表面点式布置，共234 个，沿反应区域轴向布置13 层、每层18 个，根据密相区、稀相区的不同，层间距也有所不同。 由于同一位置的外壁表面温度与其内部温度基本接近，因此该系统的设置有利于更加全面地监测反应器温度分布情况，有利于及时发现因反应区域气体偏流或其他因素导致的局部热点现象，通过DCS 报警来提醒工艺操作人员采取处理措施以确保设备和人身安全。 装置现场反应器所处环境的爆炸危险区域划分为2 区，防爆等级分组为ⅡCT4。

实现这234 个温度测点在DCS 显示、报警等功能的方法有多种， 如直拉电缆连接、“分支+主干”电缆连接、就地数据采集+通信连接等。 结合该系统输入信号类型单一、 功能相对独立的特点，综合考虑经济性、可靠性及功能完整性等因素， 最终选定以本安型远程I/O 系统为核心来构建反应器表面温度在线监测系统。

2.2 系统结构

反应器表面温度在线监测系统由测量、数据采集与传输、显示与报警等环节组成。 在测量环节， 测温元件采用WRGKK 系列K 型热电偶，防爆等级Ex ia ⅡCT6 Ga， 热电偶前端插入反应器表面焊接的固定件中，热电偶输出信号通过补偿导线接到远程I/O 的温度模块。 在数据采集与传输环节，温度模块完成数据采集并将数据送往通信网关， 本安型远程I/O 系统采用德国图尔克（TURCK）excom 系列产品，与防爆微型断路器、防爆直流电源等共同集成到防爆箱中。 在显示与报警环节，DCS 接收本安型远程I/O 系统传输来的数据， 通过组态实现DCS 界面显示和报警功能。系统结构如图1 所示。

图1 反应器表面温度在线监测系统结构框图

将PROFIBUS-DP 转换为Modbus RTU 主要是为了进一步降低成本， 这是因为，DCS 中支持PROFIBUS-DP 的通信模块、点数授权的费用明显高于Modbus RTU， 后者一般只需考虑通信模块硬件费用即可。 此外，不同制造商DCS 产品的总线通信模块大多只能作为通信主站，故此协议转换设备选型要结合远程I/O 系统通信网关和DCS总线通信特性共同确定。 本方案中协议转换设备采 用 某 公 司 主 站 网 关 PBM-MCO-1.0， 在PROFIBUS-DP 侧作为主站 （下接3 个从站），在Modbus RTU 侧作为从站，DCS 中的Modbus 通信模块（COM741）作为主站。

2.3 现场设备配置

线路连接及拨码开关配置。TAS03、协议转换设备处的PROFIBUS-DP 接头上的开关置“ON”位，其他置“OFF”位。 协议转换设备处按5+/4-与DCS 主站连接，拨码开关第1 位置“OFF”（Modbus通信）。 通过底板上的拨码设置TAS01 ～03 PROFIBUS-DP 从站地址，要确保每个从站的物理地址与软件配置中的地址一致， 以保证通信畅通。

协议转换设备配置。 采用制造商提供的软件PB-Confi，新建一个项目。将从站（excom 设备）GSD文件复制到该软件的GSD 文件夹中，并执行“重读GSD”操作以识别设备。点击DP_Master→PBMMCO-MB-1.0， 软件自动添加PROFIBUS 通信主站；双击主站图标，设置主站地址（0）、总线波特率（187 500）、 通 信 模 式 （DP） 等 参 数； 点 击DP_Slave→I/O→EXCOM，添加PROFIBUS 通信从站； 点击EXCOM 添加模块， 槽1 是通信网关GDP-IS，其他槽与现场对应的卡件型号为TI40EX T（热电偶）；双击EXCOM 设定从站地址（需与现场地址对应）；双击GDP，设置Redundancy Mode为System Redundancy:3，完成DP 热备冗余配置；双击TI40EX T 为卡件设定参数→设置CJC（冷端补偿）为PT100 ON TERMINAL:2（对应在端子3、4加PT100 电 阻）。 点 击PBM-MCO-MB-1.0 设 置Modbus 通信从站的波特率（9 600）、停止位（1）和MOD 地址（000）。 完成上述配置后，即可编译下载。 配置完成后，应注意将工程备份存档。 需要注意的是，TI40Ex 模块到DCS 传输的是16 位整数，其内码值0～30 000 对应0～3 000K， 实际测量值（℃）=实型值/10-273.15。

2.4 DCS 组态

DCS 组态软件VFExplorer 中， 点击工程名称→控制组态→控制域→FCU1，依次做以下配置：

a. 硬件配置→COM741→冗余方式设置为一对一冗余，COM0（通道1）→输入数据长度设置为512。

b. 位号表中，新增“模入”信号256 个，量程和原始码设置为0～65 535，数据类型设置为2 字节整数（有符号），并按次序与现场热电偶布置一一对应。

c. 用户功能块中， 新建一个ST 类型的用户功能块TI_R001，定义输入参数IN1～IN18（对应每层18 个测量信号）、 输出参数OUT1～OUT18，数据类型选择REAL，初始值为0.00。 同时，在代码编辑区输入计算代码 “OUTX:=INX/10.0-273.15”，X 为1～18，每句代码之间用“;”隔开，以此类推。

用户程序中， 新建一个FBD 类型的用户程序， 输入名称、 描述， 在此调用用户功能块TI_R001，每层调用一个，输入引脚逐一连接位号表中对应的“模入”信号（如AI16020525.PV），输出引脚连接的数值即工程值 （如TI_301.VALUE），至此完成了DCS 对Modbus RTU 通信信号的数据采集。 此外，采用高选功能块（ISEL8）组态，计算出每层的最高温度值、最低温度值。

DCS 组态软件VFExplorer 中，在工程名称→监控组态→资源文件→弹出式流程图下，新建一个弹出式界面， 按反应器方位角展开绘制界面，并依次连接相应的位号数据 （如TI_301.VALUE）， 同时在反应器主工艺流程界面中增加一个按钮对象并组态其动作为“弹出界面”并关联到该弹出式界面。 DCS 操作站实时显示界面如图2所示。

图2 反应器表面温度DCS 界面

3 结束语

远程I/O 系统集成有主流现场总线和工业以太网功能，具有组网灵活、I/O 配置灵活、节约电缆的显著特点，本安型产品的出现使其应用场景进一步扩展， 适合爆炸0 区、1 区和2 区安装应用， 尤其适用于测点数量多但信号类型单一、扩建装置测点数量少但信号类型多样的应用场景。在当前工业互联网迎来大发展的时代背景下，作为DCS、PLC 控制系统的有效补充，本安型远程I/O系统在促进石油、石化及化工等行业生产装置实现高度自动化、高度数字化、高度网络化方面将发挥更大的作用。