DCS远程通用I/O技术在石油化工

装置中的设计与应用

在现代大型石油化工工厂中,DCS对工厂的自动化、信息化和智能化起着重要的作用,作为DCS重要部分的输入输出(I/O)模块,在技术和产品方面也在不断迭代,呈现出新的特性。

常规DCS中,通常在I/O模块上集成多个相同类型的I/O通道连接同类信号,I/O模块均布置在控制室或机柜室的控制系统机柜中,现场控制仪表通过电缆将信号连接到DCS的I/O通道上。

随着石油化工工厂的规模越来越大,智能化程度越来越高,信号数量越来越多,设计周期越来越短,采用常规单一功能的I/O模块对于设计周期和系统交付造成了新的挑战。为适应各行业数字化、智能化发展需求,各DCS供应商相继推出了通用I/O技术的智能解决方案,I/O模块从功能单一向通用化,集中部署向现场分布式部署转变,可提高控制系统交付速度、降低施工成本、缩短项目建设时间。目前,分布式通用I/O技术已经显示出大规模推广应用的趋势。

1 通用I/O关键技术

常规I/O模块的通道只支持某一类信号,大型石油化工工厂或装置通常将I/O模块统一布置于DCS的系统机柜内,来自现场的仪表控制电缆按照信号类型接入相应的仪表端子柜,再按照I/O模块的通道数接入到系统机柜。随着生产装置控制系统规模的增加,应用功能单一的I/O模块机柜越来越多,现场机柜室占地面积越来越大,建设成本越来越高;大量机柜间接线,排查维护不便;在DCS采购前需要确定每种类型信号的数量,DCS机柜设计、制造周期等。

通用I/O模块的每个通道可通过软件独立设置信号类型,现场的不同信号可以接入到同一个I/O模块中,大幅减少机柜的数量和类型,通过采用光纤通信节省大量控制电缆,提高了工程实施质量。

1.1 支持信号类型完整性技术

石油化工装置中的信号包括AI,AO,DI,DO,TC,RTD等,适用于石油化工行业的通用I/O必须同时支持所有信号类型,才能实现真正的通用。如对于AI信号,通用I/O模块应直接支持2线制、3线制,有源、无源等各种连接方式;对于DI信号,应直接支持干触点、继电器隔离、NUMAR等各种模式。

1.2 高速信号采集技术

由于同时支持所有信号类型,通用I/O模块的接口电路复杂度相应增加,电路之间的相互干扰耦合也增加。受模数转换芯片发展水平以及抗工频干扰要求的限制,常规I/O模块的AI采样周期通常需要50 ms甚至200 ms以上。为适应石油化工装置平稳运行的要求,多片数模转换器(ADC)并行迭代采样的方法被应用到通用I/O模块中,在通用I/O模块的每个通道设置独立的ADC,前端利用ADC进行高速采样,在后端使用可编程门阵列(FPGA)对采样数据进行高速拼接和工频滤波,实现10 ms高速高精度AI采样。

1.3 通道类型在线切换技术

通用I/O模块是通过软件定义通道类型的智能I/O模块,很好地解决了装置运行过程中信号变更的问题。增加或变更I/O信号,只需要在软件中对变更的通道进行重新定义并下装即可。与常规单功能I/O模块一样,通用I/O模块也是多通道的。当一个通道变更时,其他通道可能正处于工作状态,这就要求控制系统能够实现通道级在线切换,在新组态下装及组态切换过程中,未变更的信号通道不发生间断和扰动。

通用I/O模块每个通道都支持多种功能,尤其是用做多个HART变量的AI/AO功能时,需占用内存多。通过采用一种通道内存索引分配的方法,确保未变更通道的内存不变,实现通用I/O模块的通道类型在线切换。

2 通用I/O分布式应用技术

为降低仪表控制电缆的设计和施工成本,减少机柜数量和机柜间面积,将通用I/O模块及相应附件组成远程I/O接线箱,并进行现场分布式部署是一种可行的方案。

远程I/O接线箱可以尽可能近地布置到仪表附近,大幅减少电缆长度。远程通用I/O模块通过光纤数字总线与控制器进行通信,获取配置信息和输出信号设定值,同时回传模块当前状态;通过与现场设备之间电流信号或开关信号的传输,实现如阀门、定位器等现场设备的控制。

2.1 防爆技术

石油化工生产装置经常存在爆炸危险气体,远程I/O接线箱在现场部署时必须满足防爆和防护要求,获得CCC强制性产品认证。具体要求如下:

1) 危险区域适应能力。石油化工现场装置基本处于爆炸危险环境中,对于现场仪表,可能安装于2区、1区,也可能安装于0区;对于远程I/O接线箱,由于和现场仪表仍使用电缆连接,可以不具备在0区直接使用的能力,但至少应可以在2区部署。

2) 防爆形式选择。根据GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境 第1部分: 设备通用要求》规定,在2区危险区应用的防爆电气产品可以采用多种防爆形式。结合远程I/O接线箱技术原理和石油化工现场装置特点,可采用多种防爆形式结合的方式。如220 V配电箱使用隔爆型,远程I/O接线箱采用增安型,连接仪表的端口采用本安或者隔爆型。

2.2 冗余通信技术

现场的远程I/O接线箱和控制室的主控制器通过光纤数字总线交互数据。对于通用I/O模块,传输的数据不仅包含4～20 mA数据,还包含HART辅助变量数据,用于诊断、维护、管理的非周期命令等。

假设一对冗余的总线上需传输1 000台仪表的数据,加上HART变量数据,按照100 ms的周期进行刷新,需要传输的数据量可能超过200 KiB/s,需要占用2 MiBit/s的总线带宽,因此应采用至少10 MiBit/s传输能力的数字通道,如100/1 000 M的工业以太网。

在使用100 M工业以太网的情况下,数字通信总线的平均负荷率低于2%,可满足大规模数据周期传输的需求,还可满足关键数据快速响应的需求。

2.3 恶劣环境适应性

鉴于远程通用I/O接线箱安装于室外露天环境,需要适应高温、高湿、盐雾、沙尘、雷击、台风、暴雨等应用条件。通过热仿真软件,对远程通用I/O接线箱进行热仿真建模,得到远程接线箱内温度分布,如图1所示。

图1 远程通用I/O接线箱温度分布示意

通过热仿真结果可知,远程通用I/O接线箱顶部温升较高,主要原因是电源等发热模块部署于接线箱顶部,箱内热量积聚于顶部,无法快速散出,导致接线箱顶部出现高温。建模仿真的同时搭建实际测试环境(环境温度为38.4 ℃),选择接线箱顶部、左侧底部,右侧中部三个区域进行现场运行测试,测试结果见表1所列。

表1 不同测试环境和测试方法下的温度测试结果

远程通用I/O接线箱在现场安装时,应安装在桥架或有遮挡物的阴凉处,配置遮阳棚等措施,降低远程通用I/O接线箱内温度。

3 通用I/O技术的工程应用

通用I/O技术应充分考虑石化装置存在的高温、高湿、雷击、暴雨、腐蚀、振动等恶劣环境条件。对比常规DCS的工程应用,通用I/O技术的工程应用积累和沉淀显得尤其重要。

项目设计过程中,可能会存在资料变更、工期紧张等情况,采用远程通用I/O方案,可以有效将工程建设和控制设计并行开展,有效推进工程的实施。同时,与传统I/O模块方案相比,采用远程通用I/O模块可以根据总点数进行备用点预留,可有效减少备用模块数量。

远程通用I/O技术应用上相较于常规DCS的I/O技术有着不同的优势,在工程设计中需要关注组网架构设计、供电与接地、环境适应性等。

3.1 网络结构设计

远程通用I/O模块支持灵活的网络架构,根据现场环境、现场信号的集中程度,提供优化组网方案。为保证安全性、可靠性,优先选择交换机星型拓扑组网方案。

远程通用I/O接线箱通过光纤接入DCS控制网络,确保通信网络的可靠性与可用性,应采用冗余架构;远程通用I/O接线箱的通信光缆、交换机应采用冗余架构设计。远程通用I/O系统网络架构如图2所示。

图2 远程通用I/O系统网络架构示意

3.2 供电与接地设计

供电设计应符合SH/T 3082—2019《石油化工仪表供电设计规范》的规定,需考虑远程通用I/O接线箱安装位置的设计。远程通用I/O接线箱电源宜采用双路冗余的交流220 V UPS电源,两路供电电缆相互独立。在远程通用I/O接线箱附近配置独立的防爆配电箱,安装现场空气开关及电涌保护器,应带有在外部可操作空开的拨杆或旋钮。远程通用I/O接线箱接地应符合SH/T 3081—2019《石油化工仪表接地设计规范》的规定。接线箱内设置工作地、保护地2个接地铜排,分别接至装置现场等电位接地网。远程配电箱配电方案如图3所示。

图3 远程配电箱配电方案示意

4 分布式通用I/O在某炼化厂的应用

某石油化工厂公用工程单元,各类仪表I/O点约400点,单元界区至相应的现场机柜室约1 km,共设计5台远程通用I/O接线箱,位于不同的安装地点,采用单模光缆星型连接方案,DCS控制器安装在现场机柜室内;确保远程通用I/O接线箱避免箱体正面向阳安装。接线箱安装方位如图4所示。

图4 接线箱安装方位示意

该项目采用远程通用I/O技术之后,减少了建设成本及维护成本,其中,主项单元采用常规DCS I/O与远程通用I/O对比见表2所列。

表2 常规DCS I/O与远程通用I/O对比

5 结束语

随着现代工业生产规模不断扩大,远程通用I/O技术具有数字化、集成化、通用化、支持远程部署的特点,减少机柜间接线与交叉布线,节约工程控制电缆与桥架数量,缩短设计与建设周期,减少全生命周期成本。

远程通用I/O技术将有更为广阔的应用前景。在实际应用与研发过程中应高度关注严苛环境条件下长时间的稳定使用,尽可能降低远程通用I/O技术的复杂度和成本,提升整体安全性、可靠性、可维护性,持续迭代发展。