集散控制系统光总线网络结构的研究_黄福彦.pdf

收稿日期:2023 05 09第一作者:黄福彦(1976)，高级工程师，高级经济师，现为浙江大学能源工程学院在读博士研究生，主要从事工业控制与新能源的研究。E mail:huangfuyan zju edu cn集散控制系统光总线网络结构的研究黄福彦1 2，邱佳静2，黄永忠2(1 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027;2 浙江正泰中自控制工程有限公司，浙江 杭州 310018)摘要:自 1975 年 DCS 诞生以来，DCS 系统的通讯技术不断的提升，从铜芯电缆、HAT、总线、到无线通讯，再到工业光总线系统，每一种通讯技术都曾提升了 DCS 系统的通讯效率。近几年出现的光总线通讯技术是利用微电子技术与现代通讯技术、将传统 DCS 的 IO 卡件前置化，并实现软件定义 IO 卡件通道类型，把传统的 IO 卡件变成光总线系统的智能 IO 卡件，不但节约项目成本，也提升系统稳定性，缩短项目施工周期，减少故障节点，为 DCS 控制系统技术的发展开辟了一个新的方向。关键词:集散控制系统;光总线;智能 IO中图分类号:TP273+5文章编号:1000 0682(2023)04 0103 04文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 019esearch on the optical bus inetwork structure of distributed control systemHUANG Fuyan1 2，QIU Jiajing2，HUANG Yongzhong2(1 State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Zhejiang Hangzhou 310027，China;2 Zhejiang Chitic Control Engineering CO，LTD，Zhejiang Hangzhou 310018，China)Abstract:Since the birth of DCS in 1975，the communication technology of DCS has been continu-ously improved From copper core cable，HAT，bus，wireless communication，and industrial opticalbus system，each communication technology has improved the communication efficiency of DCS systemThe optical bus communication technology emerged in recent years is to use microelectronics technologyand modern communication technology to pre position the IO card of traditional DCS，and realize thesoftware definition of the IO card channel type，and turn the traditional IO card into the intelligent IOcard of the optical bus system，which not only saves the project cost，but also improves the system stabili-ty，shortens the project construction period，reduces the fault nodes，and opens a new direction for thedevelopment of DCS control system technologyKeywords:distributed control system;optical bus net;smart IO0引言用于工业控制的集散控制系统(DCS)技术已经诞生 40 余年了，OT 与 ICT 的融合一直推动着 DCS的技术进步，但在现场信号的输入输出和传输环节始终没有实现技术突破。尤其是最底层的 IO 硬件部分变化很少，DCS 的 IO 硬件部分包括 IO 通道卡、铜芯电缆、安全栅柜、接线柜等。传统的现场仪表和控制设备之间数据通信的方式是通过铜芯电缆传输电信号，工业现场数据通讯的主要技术是模拟信号技术，传输介质一般都是铜芯双绞线。铜芯双绞电缆和电信号传输的缺点是:铜线传输效率低、铜金属的消耗量大、成本高昂、电信号容易受到干扰1。随着科技的发展，DCS 系统的通用 IO 技术将 IO 通道卡放置工业生产现场，用光纤代替了传统的铜芯电缆，不但节省了工程建设成本，还提高了工程设计和安装的灵活性，缩短了项目的设计与安装周期。3012023 年第 4 期工业仪表与自动化装置1传统 DCS 通讯网络传统 DCS 系统通讯网络包括管理网、系统网、控制网、设备层网络2，控制层总线网络一般是CBUS 与 I/O 总线 IOBUS，操作层过程控制网络包含系统网 SNet 和工程信息网 ENet。控制总线CBUS 和 I/O 总线 IOBUS 是 DCS 控制站内部通讯网络，其中 CBUS 是用于连接控制器与通讯从站设备(如通讯模块)的实时总线，I/O 总线 IOBUS 是用于连接控制器与 I/O 单元的实时总线，分别采用基于以太网 S485 的高速 POWELINK 总线3。如图 1所示。图 1传统集散控制系统架构图操作层过程控制网络 SNet 和 ENet 网络均采用工业以太网通讯，在逻辑上进行实时数据、非实时数据分网传输。SNet 用于实时数据传输，ENet 用于历史数据、组态数据、报警数据、操作记录等非实时数据的传输，而在物理上 SNet 和 ENet 支持合并为同一个网络，既可以降低网络负荷，又可以降低实时数据、非实时数据分层设计时的网络复杂度。它具有网络结构简单，施工难度小，成本低，SNet 保持无突发数据，网络负荷平稳，可靠性高的优点4。如图 2所示。图 2控制总线结构图在设备层，DCS 通过信号电缆与现场设备实现模拟信号与开关量信号信息实时传送，实现点对点发送和广播发送功能。但这种传统 DCS 系统信号传输方式有明显的缺陷，主要缺陷如下:(1)信号电缆用量大，项目成本高，电缆检修维护不便;(2)现场施工的桥架、电缆沟多，增加工程施工量;(3)控制柜占用面积大，增加投资;(4)DCS 系统卡件等备品备件类型多，项目管理繁琐，项目变更困难;(5)DCS 系统卡件柜不能直接接入信号到危险区，要经过安全栅后才能从危险区接入信号。2工业现场总线前面讨论了 DCS 的 CPU 与 IO 卡件的通讯方401工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期式，下面分析如何将有线现场仪表传感器与执行器连接到 DCS 系统的方案，方案中采用的通讯协议包括传统布线、HAT、FOUNDATION Fieldbus、Wire-lessHAT 等，这些通讯协议将大量的诊断信息传至DCS5。2 1传统布线传输DCS 传统的布线是基本的(4 20)mA 信号，利用长距离的铜芯电缆和接线柜传输仪表信号。传统的布线可以传输模拟量信号与开关量信号，传输路径一般为:现场仪表经过铜芯电缆到接线箱，经过主电缆到接线柜，再到 IO 卡件，最后到 DCS 的控制器。传输的模拟量信号主要有电流信号、电压信号、电偶信号、电阻信号等，传输的开关量信号一般是设备的控制信号与反馈信号。2 2HAT 传输HAT 传输技术自 20 世纪 80 年代中期已经出现，为过程自动化控制系统与资产管理系统提供诊断信息。HAT 协议的通讯速率为 1200 bps，并需要主机系统获取设备的信息，这意味着信息可获取，但通讯限制造成数字信号传输速率慢。2 3总线传输自20 世纪 80 年代末 90 年代初以来，各种总线技术不断涌现。传统的 DCS 系统支持多种常用的总线技术，例如 AS i、ProfibusDP、DeviceNet 和FOUNDATION Fieldbus6。每种总线技术都有其应用场合，并且除了 DP 和 DeviceNet 以外，任何总线都不会相互竞争。来自智能总线设备的丰富诊断信息为现场应用提供了帮助。随着总线技术的不断应用，更多功能添加至传统 DCS 系统的接口卡，从而提高其可用性。2 4无线传输无线设备网络是过程自动化市场上最近出现的新技术。自 V10 3 版本 开始，大部分 DCS 系统支持遵循 Wireless HAT 标准的无线设备网络，Wire-less HAT 是如今市场上最常用的无线标准，在全球有非常多的应用案例。最初，无线技术提供的是一种测量监控方式，以前由于该方式过于昂贵而无法引入过程控制系统中。随着无线技术应用的不断突破，并且为世界各地的安装节约了大量的潜在成本。无线技术的应用不再仅用于监控场合，也应用于控制场合。2 5光总线传输光总线系统(OCS)在传统 DCS 的基础之上，融合了软件定义 IO 技术和工业光总线通讯技术，实现了技术创新的新一代过程控制系统。光总线 IO 总线采用光传输模式，简化自动化系统的工程设计，大幅缩短项目的建设时间，可以显著降低用户的项目建设成本和运营成本。光总线系统提供了总线 IO的优势，更改或添加设备时减少接线、减少占用空间，提供更多诊断以及更多的灵活性，如图 3 所示。图 3光总线系统图3以光总线为基础的 DCS 系统光总线技术是利用微电子技术与现代通讯等技术发展的小型化、多功能化、可编程化特征来促进DCS 硬件及网络拓扑结构的变革。将传统 DCS 的IO 卡件前置化，结合接线端子，构成数字化、网络化DCS 的现场 IO 柜，并以光纤通信技术取代传统多芯电缆电流传输技术。光总线的 IO 卡件智能化，通过智能 IO 卡连接现场设备，并通过工业光总线与控制站进行通讯。智能 IO 卡件采用模块化设计，主要由冗余的 VIO 模块、冗余的光总线接口模块以及冗余的电源模块组成。智能 IO 卡件一般支持 16 通道，通过软件定义任意修改每个通道的信号类型，通用智能 IO 卡件通道可以修改为 AI(4 20 mA 输入/24 VDC、HAT、2 线制/4 线制)、AO(4 20 mA 输出/24 VDC、HAT)、DI(干接点/24 VDC/SOE)、DI(Namur)、DO(24 VDC)、PI(0 1 Hz 10 kHz)等各种信号类型，方便现场组态。光总线智能 IO 卡件与安全栅集成，IO 卡件符合防爆设计要求，可接收来自危险场所(0 区、1 区和 2 区)的本安仪表信号。光总线系统的主要优点包括四方面。3 1减少项目施工成本利用智能 IO 技术把 DCS 的 IO 卡件前移到工业现场，替代了传统 DCS 的接线柜、安全栅继电器机柜和 IO 系统柜。光总线系统并没有消灭安全栅继电器和 DCS 的 IO 卡件，只是将这些功能组件分散到了生产现场接线柜。工业光总线控制系统用低成本光纤替代了传统铜芯电缆，使信号传输成本大幅度降低7。同时也减少了控制室机柜数量，从而5012023 年第 4 期工业仪表与自动化装置减少了对控制室建筑面积的需求，降低了控制室建筑成本，使得整个项目成本减少 40%以上。由于使用光缆代替大量的铜芯电缆传输信号，也大幅降低由电缆连接引起的可靠性问题，如图 4 所示。图 4传统布线与光总线布线对比图3 2系统稳定性增强传统 DCS 系统通过铜芯电缆传输电压信号、电流信号、电阻信号与电偶信号等信号，这些信号在传输过程中极易受到强电磁波的干扰而产生波动。而光总线系统 CUP 与智能 IO 卡件之间通过光纤传输，具有高带宽、低时延、低损耗、易运维、抗干扰的传输特点8，因此光总线系统不但传输距离