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流程工业控制系统是啥?通用I/O又是啥?

作者: 时间:2024-05-16 来源:EEPW 收藏

如果说,为离散顺序控制而生,那么)就是为连续过程控制而诞生。与作为单一装置不同,以微机处理为基础,以分散的风险控制、集中的经营管理为特点,集新的计算机技术、通信技术、CRT技术和控制技术于一体,即4C技术,成为新的控制系统。系统的概念是“分散控制”和“集中管理”,是一种自动化控制系统。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202405/458811.htm

中,DCS作为核心组成部分,已经走过了四十余年的发展历程。传统的DCS结构,特别是其底层的IO硬件部分,长期以来一直保持着相对稳定的状态,主要由现场仪表4-20mA/开关信号、铜电缆、接线柜、IO卡件组成。然而,随着工业自动化技术的不断进步,传统的IO技术逐渐显露出其局限性,尤其是在信号传输效率、系统灵活性和成本效益等方面。

为此,控制系统厂商不断探索新的技术路径,其中技术便是其中的佼佼者,为流程工业控制领域带来了革命性的变革。该技术的思路是:既然用户仍然选择4-20mA/开关信号为主的模拟信号,那就把位于IO系统柜里面的IO卡件和通信模块搬到现场接线箱里,首先实现现场接线箱到机柜室的数字化传输。为了增强灵活性,技术把IO卡件设计成适应大部分信号的通用IO卡件。

在现场仪表侧,仪表仍然输出模拟电流信号。仪表信号进入接线箱内的通用IO卡件。通用IO卡件将模拟信号转换为数字信号,然后通过光纤或者网线,将数字信号送到控制室。

优势

现场通用IO技术革新性地将IO卡件直接部署到现场,有效替代了传统方案中机柜室内的接线柜、安全栅继电器机柜和IO系统柜。这并非意味着安全栅继电器和IO卡件被取消,而是将它们的功能组件分散到了现场接线箱,实现了更为灵活和高效的控制。正是基于这种分散控制、集中管理的理念,该技术被称为电子布线技术,由EMERSON公司率先开发。这一技术显著减少了机柜室的占地面积,优化了空间利用。

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艾默生的传统配线与电子配线

左:传统配线I/O模块容量为320个;右:电子配线方式后I/O模块容量为576个

一个大胆的创新,引入光纤作为现场通用IO的主要传输媒介,能够替代传统笨重且成本高昂的多对铜芯对绞电缆。这种廉价、大容量的光纤不仅提高了信号传输效率,还大幅降低了材料和安装成本,是模拟信号传输方案的一大革新。

此外,现场通用IO技术还显著增强了工程设计和施工的灵活性。由于通用IO卡件能够兼容多种现场仪表信号,工程师不再需要为信号分类汇总而烦恼,只需简单地为现场仪表信号配备一个接线箱即可。这一特点极大地缩短了工程设计和安装周期,为工程项目节省了可观的建造成本。

现场通用IO技术有着很大性能优势,控制系统厂商陆续推出自己的技术解决方案。下面将介绍一下主要控制系统厂商的解决方案。

艾默生公司CHARM技术方案

艾默生公司的创新能力在仪表控制系统领域一直有口皆碑。2011年左右,EMERSON公司首先提出来电子布线(也称CHARM)技术方案。

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 艾默生电子布线的组件

该方案的主要设备是位于现场的单通道特性模块箱(以下简称CHARM箱)。CHARM箱中主要包括一对冗余CHARM IO卡件(CIOC)和96个(或者48个)CHARM单卡。每个CHARM单卡独立安装可插拔底板上,一个底板可容纳12个单卡,每个CHARM最大可安装8个底板。任一底座通道可以配置任何类型的CHARM单卡,因此总体看来任何信号都可以进入CHARM箱,这样就提供了极大的灵活性。

CHARM箱提供了冗余以太网口,通过网线或者光纤,将现场仪表信号接入交换机,从而实现CHARM IO卡件与控制器的通信。CHARM技术具备云IO特性,一个CHARM箱中的任一CHARM IO信号可以分配到多达4对控制器,一对控制器可连接多达16个CHARM箱。截止到2018年底,全球已有超过162万点的CHARM设备成功安装运行。

霍尼韦尔的通用I/O

霍尼韦尔提供了通用I/O技术,用于Experion PKS、安全管理器及本质安全应用。该技术将通用过程机柜(UPC)直接置于现场,每个UPC最多可集成六个32点位的ControlEdge 900通用I/O卡件(UIO卡件),并通过冗余光纤通信模块确保数据传输的可靠性。

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霍尼韦尔的6×32点通用过程配线柜

与艾默生电子布线的组件CHARM不同的是,霍尼韦尔的UIO卡件是多点通用信号整体卡件,没有可拆卸的单点信号卡件。它通过软件组态定义I/O通道类型,每个模块有16个通用通道,可灵活配置为AI、AO、DI、DO或支持HART 7协议的AI/AO。此外,还设计了专用的温度配线柜以满足特定需求。

通过高速、容错以太网构建的I/O网络,结合霍尼韦尔的自动查询技术,任何控制器都能与I/O通道通信,大大简化了配置过程,提高了工作效率。

横河的智能可配置I/O

在横河公司ProSafe RS R4安全仪表系统中采用了与CENTUM VP R6相同的架构,控制器除了专用于特定信号类型的常规I/O模块(FIO模块)外,ProSafe RS R4还可以提供N-IO(Network I/O)模块,该模块在每个通道上都可以接受不同的信号类型。通常FIO模块安装在控制室的机柜里,而N-IO模块安装在现场的机箱里,并分别通过电缆、光纤与控制器通信,而N-IO模块通过光纤的传输距离可达50km。通过同时接收FIO、N-IO这两种类型的模块,ProSafe RS R4可以更灵活地处理客户的设计要求。

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横河ProSafe RS R4安全仪表系统

在N-IO的每个模块内,都可以处理AI、AO、DI、DO信号,每个通道的I/O信号类型的改变是通过软件设定的。作为标准功能,接线板具有现场设备信号回路的断开功能。N-IO基板可用于本质安全栅,SIL3可以通过单个配置实现,冗余配置也是可选的。

总结

自从显示仪的万能输入技术问世以来,便迅速赢得了市场的热烈反响。而今,控制系统的通用I/O技术同样备受瞩目,它不仅实现了输入端的全面兼容,还结合控制系统的实际需求,增加了输出端的通用性。更为重要的是,通用I/O技术的引入,不仅显著提升了信号传输的效率,还大幅度节省了材料和安装成本。

或许,通用I/O技术在控制系统中的这一革新将引领整个行业朝着更高效、更经济的方向发展,形成一股不可逆转的潮流。这不仅是因为它为用户带来了诸多便利和实惠,同时也为制造厂商带来了更多的商业机会和利润增长点。



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