遠(yuǎn)程I/O技術(shù)方案在氯堿行業(yè)中的應(yīng)用

劉振興，王中軍，牟克田

（青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司，青海 格爾木 816000）

遠(yuǎn)程I/O技術(shù)方案在氯堿行業(yè)中的應(yīng)用

劉振興，王中軍，牟克田

（青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司，青海 格爾木 816000）

新型的遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的4～20 mA信號(hào)以及開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的I/O模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，再通過(guò)通訊網(wǎng)關(guān)將數(shù)字信息以各種通用的開(kāi)發(fā)式通訊協(xié)議，如MODBUS、Profibus－DP、Profibus－DP V1、Foundation Fieldbus等，傳輸?shù)紻CS/PLC等系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的一種技術(shù)手段。

遠(yuǎn)程I/O；信號(hào)采集；通訊協(xié)議；技術(shù)優(yōu)勢(shì)；成本優(yōu)勢(shì)

近些年來(lái)，隨著氯堿行業(yè)的逐漸發(fā)展壯大和產(chǎn)能的不斷提升，對(duì)儀表自控專(zhuān)業(yè)提出了更高的要求，尤其是在監(jiān)控點(diǎn)數(shù)較多的項(xiàng)目中，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸暴露出了諸多弊端。新型的遠(yuǎn)程I/O技術(shù)和DCS第三方通訊技術(shù)是目前最先進(jìn)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)之一，具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)在行業(yè)中的廣泛應(yīng)用降低了項(xiàng)目建設(shè)成本和工廠的后期維護(hù)費(fèi)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文以青海鹽湖工業(yè)股份有限公司100萬(wàn)t/a鉀肥產(chǎn)品綜合利用項(xiàng)目一期VCM裝置14萬(wàn)t/a擴(kuò)能改造工程中遠(yuǎn)程I/O技術(shù)方案的應(yīng)用為例，探討了該技術(shù)在氯堿行業(yè)中的應(yīng)用及成果。

VCM（氯乙烯）是生產(chǎn)PVC樹(shù)脂的主要原料。合成轉(zhuǎn)化是VCM生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要工序。在該工序中乙炔和氯化氫經(jīng)混合冷凍脫水，在以活性炭為載體、氯化汞為觸媒的列管式轉(zhuǎn)化器內(nèi)進(jìn)行合成，生成氯乙烯（VCM）。反應(yīng)過(guò)程中每臺(tái)轉(zhuǎn)化器內(nèi)的十二點(diǎn)溫度是重要的控制參數(shù)。溫度過(guò)低會(huì)降低反應(yīng)速度，溫度過(guò)高又會(huì)造成觸媒的熱分解以及副反應(yīng)的加劇。該公司100萬(wàn)t/a鉀肥產(chǎn)品綜合利用項(xiàng)目一期VCM裝置14萬(wàn)t/a擴(kuò)能改造工程是在原來(lái)具有18臺(tái)VCM轉(zhuǎn)化器的一期VCM裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建的，新增了12臺(tái)VCM轉(zhuǎn)化器，單臺(tái)轉(zhuǎn)化器上安裝有三點(diǎn)式熱電偶4支、熱電阻2支、壓力開(kāi)關(guān)1臺(tái)，單臺(tái)共計(jì)12個(gè)熱電偶（TC）信號(hào)、2個(gè)熱電阻（RTD）信號(hào)、1個(gè)干接點(diǎn)壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)。12臺(tái)轉(zhuǎn)化器總計(jì)有4×3×12=144（個(gè)）熱電偶信號(hào)，2×12=24（個(gè)）熱電阻信號(hào)、12個(gè)干接點(diǎn)壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)。

1 擴(kuò)建前的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

原18臺(tái)轉(zhuǎn)化器共計(jì)有4×3×18=216（個(gè)）熱電偶信號(hào)、2×18=36（個(gè)）熱電阻信號(hào)、18個(gè)干接點(diǎn)壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)，所有溫度測(cè)控點(diǎn)采用傳統(tǒng)的控制方式，即現(xiàn)場(chǎng)一次元件→接線箱→端子排→變送器→安全柵→端子排→IO卡件→Honey Well DCS控制系統(tǒng)。這種控制方案線路復(fù)雜、故障率高、維護(hù)量大，建設(shè)期間需要架設(shè)大量的電纜橋架、敷設(shè)大量的儀表電纜，還需要大量的接線端子、穿線管、防爆接線箱以及增加DCS模擬量輸入卡件16塊、安全柵252塊、溫度變送器252臺(tái)及其他安裝材料，除了項(xiàng)目建設(shè)期間數(shù)額較大的設(shè)備材料費(fèi)及人工費(fèi)用外，開(kāi)車(chē)后的維護(hù)費(fèi)用也是相當(dāng)可觀的。

2 遠(yuǎn)程I/O技術(shù)方案

遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的4～20 mA信號(hào)以及開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的I/O模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，再通過(guò)通訊網(wǎng)關(guān)將數(shù)字信息以各種通用的開(kāi)發(fā)式通訊協(xié)議傳輸?shù)紻CS/PLC等系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)可安裝在危險(xiǎn)區(qū)1區(qū)（Zone1）或危險(xiǎn)區(qū)2區(qū)（Zone2），接收來(lái)自危險(xiǎn)區(qū)0區(qū)（Zone0）或危險(xiǎn)區(qū)1區(qū)（Zone1）的RTD、TC信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)。來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)一次元件的RTD、TC信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)直接進(jìn)入安裝在主底板上的IO模塊，再通過(guò)冗余配置的2個(gè)通訊模塊采用目前成熟的流行且公開(kāi)的通訊協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（Honey Well DCS控制系統(tǒng)）上實(shí)現(xiàn)通訊，通訊總線采用EExe增安型防爆方法，因此，在控制室內(nèi)無(wú)需隔離柵或接收器，可節(jié)省大量的硬件資金的投入。通訊協(xié)議目前可支持MODBUS，Profibus-DP，Profibus-DP V1，F(xiàn)oundation Fieldbus等通訊協(xié)議，可與 Honey Well、SIEMENS、DELTA V、ABB、FOXBORO、YOKOGAWA、ROCKWELL、MODICON等目前流行的絕大多數(shù)DCS/PLC集成見(jiàn)圖1。

圖1 DCS/PLC集成圖

3 遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

遠(yuǎn)程I/O站集成在箱體內(nèi)，箱外設(shè)計(jì)有引入的壓縮空氣或儀表風(fēng)，可供箱內(nèi)散熱之用。箱內(nèi)安裝有主底板、IO模塊、電源模塊和通訊模塊。主底板采用與IO模塊分離式設(shè)計(jì)，1個(gè)主底板最多可允許安裝22個(gè)IO模塊，根據(jù)應(yīng)用需要可安裝單通道模塊，也可安裝多通道模塊。多種IO模塊可供選擇，包括HART通訊模塊。主底板可擴(kuò)展1個(gè)擴(kuò)展底板，增加IO模塊插槽，所有I/O模塊可直接插入底板中。每個(gè)IO站配備2個(gè)冗余的通訊模塊，由RS485接口連接通訊電纜傳輸信號(hào)至DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)2條通訊總線的冗余技術(shù)。遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)所有的IO組態(tài)數(shù)據(jù)被保存到通訊網(wǎng)關(guān)內(nèi)，當(dāng)某一模塊故障時(shí)，可以很容易的將一個(gè)沒(méi)有組態(tài)的新模塊更換上。當(dāng)新模塊插上時(shí)，備用通訊模塊馬上更新組態(tài)數(shù)據(jù)，新模塊即刻正常運(yùn)行，如果插入1個(gè)與原先組態(tài)數(shù)據(jù)不一致的模塊時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別，不會(huì)對(duì)其他正常模塊產(chǎn)生不良影響見(jiàn)圖2。對(duì)于通訊模塊也是如此，組態(tài)數(shù)據(jù)可通過(guò)RS485從控制系統(tǒng)下裝，冗余系統(tǒng)可自動(dòng)執(zhí)行。每個(gè)IO站的配電由3個(gè)電源模塊組成，2路獨(dú)立外部供電，實(shí)現(xiàn)供電冗余，其中任意一個(gè)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警提示，最大限度的增加系統(tǒng)安全性和可靠性。

圖2 遠(yuǎn)程IO站主底板及IO模塊圖

4 遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

4.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）采用隔離技術(shù)和多重防爆技術(shù)，使得IO站本身可裝于危險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)其IO分支可連接本安回路，即具有隔離柵功能。

（2）冗余網(wǎng)關(guān)技術(shù)，可充分保證系統(tǒng)通訊的可靠性。

（3）模塊SIL2認(rèn)證，保證系統(tǒng)安全和可靠性需求。

（4）多種網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議選擇，MODBUS FFPROFIBUS等網(wǎng)關(guān)協(xié)議充分保證與用戶系統(tǒng)的完美集成，開(kāi)放的、通用的協(xié)議便于用戶使用和降低成本。

（5）獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得IO站模塊可在現(xiàn)場(chǎng)帶電拔插和維護(hù)。

（6）采用MODBUS RTU技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)。

（7）冗余網(wǎng)關(guān)采用自動(dòng)同步與鏡像技術(shù)，可以在線更換網(wǎng)關(guān)而無(wú)需重新組態(tài)，所有組態(tài)數(shù)據(jù)均存在網(wǎng)關(guān)中，因此，在線更換IO模塊后也無(wú)需重新組態(tài)即可使用。

（8）內(nèi)置線路檢測(cè)功能，可檢測(cè)IO線路短路或斷路，并通過(guò)LED報(bào)警輸出。

（9）單通道，多通道，AI/AO/DI/DO以及溫度、頻率模塊可以選擇，各種模塊可以在同一IO內(nèi)隨意組合，同一站最大可有80個(gè)AI/AO或184DI/DO。

4.2 成本優(yōu)勢(shì)

擁有以上新技術(shù)，在系統(tǒng)成本方面，較傳統(tǒng)解決方案來(lái)說(shuō)，也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是在設(shè)計(jì)、安裝或者交工資料等方面均可節(jié)省投資。

（1）節(jié)省隔離式安全柵。

（2）節(jié)省DCS或PLC IO卡件。

（3）大量節(jié)省接線端子與電纜以及電纜安裝橋架等。

（4）節(jié)省大量工程施工費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

（5）節(jié)省控制機(jī)柜和控制室面積。

以100個(gè)點(diǎn)為例，采用遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)后，接線端子由原來(lái)的1 600個(gè)減少為404個(gè)，節(jié)省了安全柵和DCS的IO卡件。由于遠(yuǎn)程IO可安裝在危險(xiǎn)區(qū)域，大大節(jié)省了電纜費(fèi)用，以及相關(guān)安裝附件及人工費(fèi)用。

遠(yuǎn)程I/O技術(shù)做為一種先進(jìn)的控制方式引入和應(yīng)用在青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司PVC廠，其明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在該公司得到了充分的體現(xiàn)，節(jié)省了大量的資金。隨著該技術(shù)的不斷完善和改進(jìn)，相信其在氯堿行業(yè)中更廣泛的應(yīng)用將會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的影響。

Application of remote I/O technology in chlor alkali industry

LIU Zhen-xing，WANG Zhong-jun，MOU Ke-tian
（Qinghai Salt Lake Industry Co．,Ltd．Chemical Branch，Golmud Qinghai 816000，China）

New remote I/O system is the traditional 4～20 mA signal and switch signal by the corresponding I/ O modules converted into digital information，through communication gateway will digital information in a variety of common development of communication protocols，such as MODBUS，Profibus－DP，Profibus－DP V1，F(xiàn)oundation Fieldbus and transmitted to DCS/PLC and system realization of a type of remote monitoring technology．

remote I/O；signal acquisition；communication protocol；technology advantage；cost advantage

TB486+3

B

1009－1785(2016)12－0034－03

2016-05-19