OCS 系統(tǒng) 在危化行業(yè)中的應(yīng)用

1引言

2020年4月1日，國(guó)務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì)發(fā)布《全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》，開(kāi)始了對(duì)全國(guó)各個(gè)行業(yè)的安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治行動(dòng)，危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)企業(yè)自動(dòng)化減人、抗爆控制室及機(jī)柜間的改造成為焦點(diǎn)。三年行動(dòng)整治計(jì)劃的收官之年出臺(tái)《石油化工建筑物抗爆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)一步體現(xiàn)了以人為本，安全第一的宗旨，人員撤離現(xiàn)場(chǎng)，控制室和機(jī)柜間抗爆改造勢(shì)在必行。很多企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間不能滿足規(guī)范要求，需要抗爆改造，高昂的改造費(fèi)用讓企業(yè)望而卻步。電子布線系統(tǒng)——OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)技術(shù)能完美地解決這一難題。

2 OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)中，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是通過(guò)大量?jī)x表電纜和DCS進(jìn)行連接，每一臺(tái)儀表或者控制閥均需要獨(dú)立的電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，檢測(cè)信號(hào)傳輸至安全柵柜，再至DCS的I/O機(jī)柜等一系列中間環(huán)節(jié)才能完成。一套生產(chǎn)裝置需要幾千根電纜，電纜的采購(gòu)和施工費(fèi)用占了大量資金。如果電纜直接敷設(shè)到中央控制室，不僅需要高昂的費(fèi)用支撐，還存在傳輸信號(hào)衰減的技術(shù)難題。為了節(jié)省大量的電纜鋪設(shè)費(fèi)用，往往在生產(chǎn)裝置附近建設(shè)儀表機(jī)柜間，安裝DCS控制器，DCS通過(guò)光纖傳輸至中央控制室。隨著安全監(jiān)管的深入現(xiàn)場(chǎng)和以人為本的理念植入人心，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間需要抗爆建設(shè)已經(jīng)是危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)的共識(shí)。而抗爆機(jī)柜間的建設(shè)費(fèi)用，比電纜直拉中央控制室有過(guò)之而無(wú)不及。和利時(shí)OCS工業(yè)光總線技術(shù)的誕生，同時(shí)解決了以上兩個(gè)難題。

Onet工業(yè)光總線技術(shù)解決了控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊問(wèn)題，將iDTU（智能數(shù)據(jù)傳輸單元）分散式安裝在現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)區(qū)域，用一組光纖代替了現(xiàn)場(chǎng)儀表到機(jī)柜間眾多的電纜，節(jié)省了大量的電纜購(gòu)買和敷設(shè)費(fèi)用。而且光纖還可以減少電纜傳輸中的干擾與衰減。Onet工業(yè)光總線技術(shù)采用無(wú)源光學(xué)器件技術(shù)，物理壽命可達(dá)無(wú)限大。光總線通訊的高帶寬可以傳輸更多的周期數(shù)據(jù)以及非周期參數(shù)等數(shù)據(jù)到控制器中，控制器經(jīng)過(guò)控制邏輯運(yùn)算后完成相應(yīng)的控制。由于iDTU分散在現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)區(qū)域，機(jī)柜間不再需要數(shù)據(jù)采集卡件，DCS系統(tǒng)只剩CPU部分，光纖傳輸具備實(shí)時(shí)性和可靠性，DCS的CPU部分完全可以集中在中央控制室，取消現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間，省去抗爆機(jī)柜間建設(shè)的巨資。

傳統(tǒng)機(jī)柜間的安全柵柜、端子柜和I/O卡件全部分散在 現(xiàn)場(chǎng)iDTU中，取消了大量金屬線纜，不但可以降低項(xiàng)目成本，還可以大幅降低材料和能源的消耗，可以把DCS控制器和中央控制室合用，幫助企業(yè)節(jié)省大量的資金。

3 OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)融合了工業(yè)光總線技術(shù)和DCS技術(shù)，工業(yè)光總線技術(shù)是和利時(shí)在OCS上的一次創(chuàng)新應(yīng)用，雖然利用光纖來(lái)傳輸以太網(wǎng)協(xié)議的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但在光纖上傳輸工業(yè)總線協(xié)議仍然要克服很多技術(shù)上的難題。和利時(shí)利用其多年在DCS上的控制網(wǎng)絡(luò)Cnet積累的技術(shù)基礎(chǔ)，

開(kāi)發(fā)了基于光通信的Onet冗余工業(yè)光總線。Onet符合IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、JB/T10308.3-2001國(guó)標(biāo)和EN50170歐標(biāo)的要求，突破了現(xiàn)場(chǎng)總線光電設(shè)備的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸限制，支持星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主光電設(shè)備通過(guò)光纖和總線連接單元星型連接多個(gè)從光電設(shè)備，降低了光纖和光電收發(fā)設(shè)備的數(shù)量，有利于節(jié)約材料、設(shè)備及成本。

4 OCS技術(shù)攻克的技術(shù)壁壘

4.1由于?；袠I(yè)的易燃易爆特性，電氣設(shè)備失爆是引起著火爆炸的重要因素。達(dá)到防爆要求以適用于易燃易爆環(huán)境是工業(yè)光總線的技術(shù)壁壘，和利時(shí)iDTU率先攻破此技術(shù)難題，通過(guò)增安型無(wú)火花一體化防爆認(rèn)證，并獲得TUVIEC/ATEXExecnAnC[iaGa]IICT4Gc,IP66，TUVIEC/ATEXExecnAnCIICT4Gc防爆認(rèn)證,支持-40至+70℃寬溫工作溫度、-40至+55℃環(huán)境溫度下防爆，并且模塊自帶溫度和濕度監(jiān)測(cè)功能，支持狀態(tài)預(yù)診斷，走在工業(yè)光總線技術(shù)的前沿。

4.2傳統(tǒng)的控制機(jī)柜都是放置于機(jī)柜間，而機(jī)柜間則是有嚴(yán)格的環(huán)境要求，夏天溫度控制在（26±2）℃,冬天溫度控制在（20±2）℃,相對(duì)濕度均為（50±10）%，噪聲不得大于75[dB（A）]，相對(duì)于機(jī)柜間環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)安裝的iDTU運(yùn)行環(huán)境明顯更惡略，但和利時(shí)iDTU獲得CE認(rèn)證、G3防腐測(cè)試、EMC3級(jí)判據(jù)，特別是采用車規(guī)級(jí)（汽車用芯片溫度范圍-40℃―125℃)寬溫芯片，保證產(chǎn)品的耐溫特性，密封等級(jí)達(dá)到了“nR”限呼吸型，避免現(xiàn)場(chǎng)有害氣體及水汽結(jié)露腐蝕，并在現(xiàn)場(chǎng)各種工況下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

5 OCS技術(shù)先進(jìn)性

OCS技術(shù)在DCS上的控制網(wǎng)絡(luò)Cnet積累的技術(shù)基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了基于光通信的Onet冗余工業(yè)光總線。Onet符合IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、JB/T10308.3-2001國(guó)標(biāo)和EN50170歐標(biāo)的要求，突破了現(xiàn)場(chǎng)總線光電設(shè)備的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸限制，支持星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主光電設(shè)備通過(guò)光纖和總線連接單元星型連接多個(gè)從光電設(shè)備，降低了光纖和光電收發(fā)設(shè)備的數(shù)量，有利于節(jié)約材料、設(shè)備及成本。

基于軟件定義IO技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款通用I/O模塊，該產(chǎn) 品具備兩個(gè)特點(diǎn)，一是通過(guò)軟件來(lái)定義I/O的通道類型，I/O的所有通道在硬件上是完全一致的，不必為不同信號(hào)配置不同的I/O模塊，只需要通過(guò)軟件將通道設(shè)置為與現(xiàn)場(chǎng)儀表輸出相同的信號(hào)類型即可。另外通過(guò)軟件來(lái)切換備用通道，也就是N+1的通道冗余模式。當(dāng)I/O通道出現(xiàn)故障時(shí)，只需要在工程師站上進(jìn)行軟件切換，將故障的通道切換到備用通道即可，無(wú)需維護(hù)人員到達(dá)故障現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)省了大量的備件設(shè)備及維護(hù)成本。

OCS技術(shù)采用無(wú)源（不需要電）光路分配器（簡(jiǎn)稱RJU），將由電子間主控制器通訊接口引出的敷設(shè)到現(xiàn)場(chǎng)的兩路冗余光纜各分成16路尾纜，每對(duì)冗余尾纜掛接1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)iDTU?，F(xiàn)場(chǎng)各類儀表信號(hào)通過(guò)電纜就近接入iDTU，通過(guò)iDTU實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。每對(duì)控制器可引出多對(duì)光纜，具有可靠性高、信號(hào)傳輸速度快、分散性好和可維護(hù)性高的特點(diǎn)。同時(shí)，iDTU作為一臺(tái)完整的防爆設(shè)備，進(jìn)行的是整體防爆認(rèn)證，具備在防爆1區(qū)域使用的能力。

抗干擾技術(shù)是OCS工業(yè)光總線最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，?；袠I(yè)各種復(fù)雜的環(huán)境下，各種大型電氣設(shè)備、機(jī)泵、變頻器往往會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的儀表電纜中傳輸?shù)?-20mA電流造成較大的干擾，特別是直擊雷、感應(yīng)雷時(shí)常會(huì)給儀表信號(hào)造成極大的破壞，甚至通過(guò)電纜信號(hào)損壞DCS系統(tǒng)，導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故。于是儀表專業(yè)想方設(shè)法研究各種抗干擾措施，各種屏蔽接地、單點(diǎn)信號(hào)屏蔽，兩端防雷接地均成為儀表施工非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。稍有差錯(cuò)，就給安全生產(chǎn)帶來(lái)較大的威脅。OCS工業(yè)光總線徹底杜絕了這一隱患，十幾臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表和IDTU在現(xiàn)場(chǎng)形成一個(gè)等電位電氣孤島，總線傳輸信號(hào)不受電磁場(chǎng)、直擊雷及感應(yīng)雷的干擾，信號(hào)更安全可靠。

6 OCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于工業(yè)光總線技術(shù)的OCS控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)DCS一樣，上層軟硬件沒(méi)有變化，主要由工程師站、操作員站、冗余歷史站、設(shè)備管理站、冗余控制站和工業(yè)光總線智能數(shù)據(jù)傳輸單元（iDTU）等設(shè)備組成，其中從iDTU到RJU及冗余控制站之間都采用光纖進(jìn)行通訊。

冗余控制站采用三重冗余鏈路，一對(duì)千兆以太網(wǎng)、一對(duì)RS-485鏈路和一組GPIO，保證了控制系統(tǒng)的冗余無(wú)擾、 功能安全、控制穩(wěn)定，冗余切換平均無(wú)故障時(shí)間方面相比其它系統(tǒng)的控制器可以提升22.2%。

RJU作為光網(wǎng)絡(luò)通訊節(jié)點(diǎn)，每個(gè)RJU可以星形連接16個(gè)iDTU，而且采用無(wú)源光學(xué)器件技術(shù)，無(wú)任何數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換，無(wú)延遲，采用純物理分光技術(shù)，使得可靠性和壽命得到極大的提高。

iDTU采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由冗余的VIO模塊、冗余的光總線接口模塊以及冗余的電源模塊組成。VIO模塊支持AI（4-20mA輸入/24VDC、HART、2線制）、AO（4-20m輸出/24VDC、HART）、DI(干接點(diǎn)/24VDC/SOE/Namur)、DO（24VDC）、RTD（Pt100、Cu50，支持1-500電阻值電量程上傳）、TC（J、S、E、K分度，支持其它分度電量程上傳）、PI（0.1Hz-10KHz）七種信號(hào)類型。iDTU還支持Modbus通訊協(xié)議，可以作為Modbus從站將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至與第三方系統(tǒng)。

7 OCS就是工業(yè)光總線的應(yīng)用范圍

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)是傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)邁向數(shù)智化建設(shè)的一個(gè)飛躍，利用光總線替代傳統(tǒng)電纜，無(wú)論從施工建設(shè)、傳輸速度、信號(hào)穩(wěn)定性及可維護(hù)性均有較大的優(yōu)勢(shì)。光纜傳輸“一天一地”的冗余性配置大大的增加了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃员Ｕ?，確保任何時(shí)候一跟光纜意外斷裂時(shí)，另一跟光纜能有效的傳輸測(cè)量和控制信號(hào)，適用于各種行業(yè)的工業(yè)測(cè)量和控制，特別是在危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)，控制室距離生產(chǎn)裝置較遠(yuǎn)的情況下，OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)有非常大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)已經(jīng)在中石化天津南港120萬(wàn)噸/年乙烯項(xiàng)目、山東瑞康精化8000噸/年FB2C熱敏紙張?zhí)砑禹?xiàng)目、東岳華夏神舟10000噸PVDF等幾百個(gè)項(xiàng)目中成功應(yīng)用，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

8 結(jié)束語(yǔ)

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)，是DCS系統(tǒng)巨大的技術(shù)變革，是現(xiàn)代電子技術(shù)和工業(yè)光通訊技術(shù)的成功結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的精益化跨越，2019年底研制成功，至2023年9月份，被應(yīng)用在330個(gè)項(xiàng)目上，特別是在大型煤化工、百萬(wàn)噸大乙烯、大型多晶硅等多個(gè)重要行業(yè)取得應(yīng)用，效果良好，為企業(yè)節(jié)省大量的資金。