远程IO系统在碳纤维聚合区域的应用

远程I/O系统在碳纤维聚合区域的应用

摘 要：本文主要介绍了图尔克本安远程I/O系统-EXCOM在碳纤

维防爆聚合区域的应用方案，EXCOM系统通过与横河DCS系统CENTUM-VP借助PROFIBUS-DP通讯的完美结合，使常规检测仪表的数据传输更为便捷，工期缩短，更为以后项目改造提高了极大的灵活性。

关键词：本安;远程I/O;PROFIBUS-DP

1.应用背景

碳纤维聚合区域属防爆2区，单台显示不参与控制的仪表居多，选用的仪表控制方案需满足防爆区域的要求。

1.1控制方案选用

常规控制方案则需配置 DCS 系统的输入输出卡件，安全栅，现场接线箱和数量惊人的电缆。 如下图所示：

控制室 安全区

现场 危险区 现场接线箱

这种传统本质安全控制方案通过配置安全栅在设备间一对一并行连接，点到点传播模拟信号，虽可以满足防爆区域的要求，但是对日新月异的工业控制自动化发展来说过于冗杂。现在总线形式的应用方案正在飞速发展，如现场总线系

现场仪表 安全栅 DCS I/O卡件 统，一对导线上可以挂接多个温度，压力，流量等。总线就是现场设备的传输介质，是数据传输的公共通道。典型的如FF(基金会现场总线)总线。但是FF总线的使用存在局限性需要配置适用的FF仪表，应用成本较高。若以RROFIBUS-DP总线为通讯协议本安远程I/O系统正好介于这两者之间，不用更换成现场总线仪表，又可以省去大量电缆，十分适用于碳纤维项目中的聚合区域。远程I/O的基本系统结构是现场仪表以接线方式到远程I/O柜，各个远程I/O柜之间用总线的方式相连，再以总线方式接入至DCS系统的总线网卡。

1.2远程I/O系统结构图

如图所示：

图中EXCOM 1-n为现场远程I/O柜，I/O柜内的数据通过网关传送至上层PROFIBUS-DP网络，经光纤耦合器用光纤将数据传送至安全区。本次应用中共设LIOP1111，LIOP1101，LIOP1121，LIOP1122，LIOP1131，LIOP1141六个远程I/O

柜，光纤耦合器安装于LIOP1111中，各个I/O柜之间采用冗余双绞线相连，并在最后一个柜挂上终端电阻。

1.3远程I/O可靠性分析

远程I/O可选用模拟量输入（支持二线制和四线制仪表）/输出，数字量输入/输出等常规信号，可以按要求配置卡件，但是不支持卡件冗余。一般来说：在控制回路方面我们选用模拟量输入卡件冗余，输出卡件冗余这样的方式配置。显然远程I/O模块对于这类控制回路来说它是不适用的。但是就一般温度显示来说通过采用网关冗余，光纤冗余，通讯卡件冗余的方式可以将故障率降到最低，反观传统控制回路配置的安全栅，输入卡件也并不冗余。由此可见如果就显示回路而言，采用远程I/O的方案系统的可靠性其实并没有降低。

2.硬件选用：

碳纤维聚合区域属于防爆2区（ZONE2）级别。EXCOM远程I/O系统支持本质安全，可以用在防爆1区和2区，远程I/O机柜采用IP65的防护等级，达到防水，防尘，防腐的要求。

在聚合区域中工艺测量点数很多，除常规控制回路，重要工艺检测点仍选用DCS冗余卡件外，其余如气体报警仪，单点测量显示，一般阀门位置反馈信号都进远程I/O系统。这样的一个配置，既不影响工艺控制，又节约了大量的电缆和桥架。

2.1远程I/O配置

EXCOM远程I/O系统由供电单元，网关，I/O模块以及容纳所有元件的模块支架构成。母板集成至模块支架备板用于供电，数据传送及用于现场设备的连接。

EXCOM本安远程I/O系统的模块结构如下图所示。

2.2电源模块

PSD24EX 连接直流18-32V的外部供电电源，具有PTB 00 ATEX 2193认证，防爆级别II 2 G EEx [ib] e IIC T4。通过冗余配置保证供电可靠。具有报警提示功能。

2.3输入输出模块

I /O模块提供各种类型的输入、输出过程信号，包括4~20mA、mV、频率、电阻、温度（热电阻、热电偶）、数字信号。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。模拟量输入、模拟量输出、数字量输出卡件为四通道，数字量输入八通道。I/O模块支持热插拔，具有即插端子与现场电缆相连。

2.4总线导轨

总线导轨是内部总线和为I/O模块供电：CPU和电源模块、I/O模块都安装在总线导轨上，是它们信息交换的桥梁，I/O模块不需要设定地址。

MT18母板其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、用来设定总线地址的三个十进制旋钮、用来连接外部高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。在各个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可通过可插拔的接线端子与之进行简单的连接。

2.5网关

GDP1.5 具有PTB 00 ATEX 2162认证，防爆级别II 2 G SYST EEx ib IIC T4。网关作为EXCOM系统内部数据总线的主站将数据传送至上层PROFIBUS-DP网络。控制 I/O模块和过程控制系统的全部数据交换。Profibus DP主站至excom从站，采用DP-Exi段耦合与RS485-IS层冗余配置。冗余网关可以确保数据传输的高可靠性，当一个网关发生错误故障报警时会自动切换到另一个网关运行，保证数据传输的可靠性。网关对于128个数字量数据的循坏时间为＜5ms,对于64个模拟量的循坏时间为＜20ms.网关最大的数据传输速率为1500Kbps。

2.6光纤耦合器

光纤耦合器OC11Ex/2G将来自电缆的PROFIBUS DP电信号转换为光信号，用于光纤传送。即使是长距离传输，光纤耦合器也能够确保总线信号从安全区到危险区安全的传输。位于危险1，2区的光纤耦合器OC11Ex/2G接收来自光纤接口的光信号，并且将位于本安系统的RS485-IS输出信号转换到图尔克应用于安全区的OC11Ex/3G光纤耦合器。光纤耦合器之间最大2.5km。每个网段可最多可连接31台总线设备。光纤耦合器波特率可通过旋钮开关进行设定或自动检测，波特率范围从9.6 kbps到1.5Mbps。

2.7模块使用图

序号 1 2 3 4 模块 防爆电源 母板 网关 规格型号 PSD24EX MT18-R024 GDP1.5 说明 冗余 18槽 冗余 4通道 模拟量信号输入模块 AIH40EX 、AIH41EX

5 6 7 8 开关量输入模块 开关量输出模块 光纤耦合器 防爆D型头 D型头 DM80Ex DO40EX OC11EX/3G、C11EX/2G D9T-EX D9T-RS485、D9T-RS485IS MODEX-FILTER EG-VA 8通道 4通道 冗余 防爆区用 安全区用 冗余 IP65 9 10 电源滤波器 11 防护箱

2.8实际应用

在本次应用中我们分别设6个现场远程I/O柜，分布在聚合1-4楼。另外在DCS机柜室布置一个柜，用于分配电源至现场远程I/O柜和安放作数据传输用的光纤耦合器。

如下图所示：电源配置图

电源采用冗余电源，引自市电和UPS。保证供电可靠性。

系统配置图：

3．软件组态

3.1组态简介

远程I/O柜在现场安装好之后，大部分的工作其实都是系统组态工作。采集数据，分析数据，应用数据等等。本次应用中作为通讯主站选用的是横河ALP111通讯卡（支持PROFIBUS-DP），采用冗余方式。 如下图所示：ALP111通讯卡件，需挂上终端电阻。

3.2GSD文件导入

PROFIBUS设备具有不同的性能特点，为达到PROFIBUS简单的即插即用。PROFIBUS的设备特性均在电子设备数据库文件(GSD)中具体说明。标准化的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。横河Centum VP DCS系统采用德国赫优讯Hilscher的（提供各种主流现场总线和工业以太网技术的工程应用与产品开发解决方案的公司）SyCon Configurator Tool软件对PROFIBUS的主站、从站进行组态。首先在SyCon Configurator Tool软件中把从站EXCOM系统的电子设备数据单GSD文件拷贝到软件的数据库中，GSD由图尔克公司提供，GSD文件需匹配EXCOM系统的版本。

如下图所示：

3.3 X.dbm文件导入

把图尔克EXCOM系统的GSD文件导入之后就可以对主站，从站进行组态，组态主要是对每个从站所用卡件，站地址的配置等。 如图所示对远程I/O从站进行组态

主要是对每个从站母板槽位上网关，输入输出卡件选用的组态，当主从站全部组态好之后导出生成了一个X.dbm文件。然后在DCS系统中把这个文件导进通讯卡件ALP111。

接下来就是ALP111卡件的组态，为的是读取远程I/O的数据。需要注意的是通讯协议，站号，设备地址，数据类型的选择要准确。Station就是从站的站号，Device&Address指的是卡件安装的槽数和通道数，第一槽默认是网关。如站地址是2的远程I/O柜，第4槽—模拟量输入卡件第一通道就表示为Station：2; Device&Address;4-1.数据类型:模拟量选用的是16位有符号数。Label里填的是在DCS内部作数据连接用的位号。如果要在DCS系统里增加趋势，编写顺控表引用这个Label里的位号即可。

完成上述步骤之后，接下来对数据的处理跟DCS常规数据处理是一样的，但是模拟量需要注意的一点是：因为传输的数据是4000-20000的一个值，4~20mA对应4000~20000。需要设置增益和偏置才能对应工程单位的数值。

4.结束语

在工业自动化高速发展的今天，智能仪表，总线技术，无线技术必将是化工装置发展的趋势，EXCOM本安远程I/O系统在碳纤维项目的应用充分展示现场总线诸多优点，降低了项目投资成本，方便运行维护，也为以后工艺项目改造提供了很大的可用空间。目前EXCOM本安远程I/O系统已连续稳定运行两年时间，为碳纤维稳定的生产保驾护航。

参考文献

[1]FIELDBUS COMPONENTS excom? USER MANUAL；http://www.turck.com/ [2]YOKOGAWA CENTUM VP V4.02 USER MANUAL；http://www.Yokogawa.com/cn/

完成上述步骤之后，接下来对数据的处理跟DCS常规数据处理是一样的，但是模拟量需要注意的一点是：因为传输的数据是4000-20000的一个值，4~20mA对应4000~20000。需要设置增益和偏置才能对应工程单位的数值。

4.结束语

在工业自动化高速发展的今天，智能仪表，总线技术，无线技术必将是化工装置发展的趋势，EXCOM本安远程I/O系统在碳纤维项目的应用充分展示现场总线诸多优点，降低了项目投资成本，方便运行维护，也为以后工艺项目改造提供了很大的可用空间。目前EXCOM本安远程I/O系统已连续稳定运行两年时间，为碳纤维稳定的生产保驾护航。

参考文献

[1]FIELDBUS COMPONENTS excom? USER MANUAL；http://www.turck.com/ [2]YOKOGAWA CENTUM VP V4.02 USER MANUAL；http://www.Yokogawa.com/cn/

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/un97.html