不懂I/O模块,你还敢说你懂自动化?


DCS重要部分的输入输出(I/O)模块,在技术和产品方面不断迭代,呈现出新的特性。但随着工厂的规模变大,智能化程度变高,信号数量变多,设计周期变短,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。

在这样的背景下,各DCS供应商纷纷推出通用I/O技术的智能解决方案,这是否真能提高控制系统的交付速度并降低施工成本?

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如何降低设计和施工成本,

并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。

(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:

危险区域适应能力

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。

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220V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)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。

(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

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。

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远程通用I/O与常规DCS的I/O

有什么区别?

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。

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。

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常规I/O与通用I/O有什么区别?

常规I/O

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

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)支持信号类型完整性技术

(2)高速信号采集技术

(3)通道类型在线切换技术

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。

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来源:《石油化工自动化》杂志2023年第4期

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