工業光總線智能I/O技術在精煉糖廠中的應用

高健翔

（中國輕工業廣州工程有限公司，廣東廣州 511447）

傳統的分布式控制系統DCS（Distributed Control System）自20世紀70年代誕生以來，已發展了40余年，在石油、化工、電力、冶金等大型工業控制領域得到了廣泛的應用。雖然DCS 系統的性能隨著各種技術的發展也在不斷地進步，但其基本結構，特別是最底層的I/O 硬件部分并沒有發生太大的變化。現場設備的4～20 mA 信號或開關量信號通過銅芯電纜接至接線箱，然后接至I/O 卡件，最后信號進入到控制器中的模式一直沿用至今。在過去，這種底層架構無疑是先進的且與生產力相匹配的，但隨著工業企業的規模不斷擴大，各種新興技術的飛速發展，傳統的系統架構從項目投資成本、機柜室面積以及施工周期等方面已無法完全滿足當下的需求。

在20世紀90年代，各控制系統廠商基于傳統架構的不足，開發了現場總線技術，試圖用總線電纜和數字網絡信號代替銅芯線纜模擬信號。雖然現場總線技術與模擬傳輸技術相比有一定的技術優勢，但現實情況卻是現場總線技術一直沒有得到流程工業控制領域的普遍認可和接受。究其原因，無論是傳統的模擬傳輸技術還是現場總線技術，都是以電信號傳輸為基礎，以銅芯電纜為傳輸介質的，因此，兩者均同樣面臨銅線傳輸效率低、投資成本高、電信號容易受到干擾等缺點，從技術上未有根本性的改變。

1 工業光總線智能I/O技術介紹

1.1 什么是工業光總線智能I/O技術

基于上述工業控制領域現狀，艾默生公司最先推出了電子布線技術方案，隨后其他控制系統廠商也跟進推出了類似的技術方案，國外有如霍尼韋爾的UI/O、橫河的N-I/O 等，國內有和利時公司的工業光總線智能I/O、浙江中控公司的SMARTEI/O。這些技術方案都各有特色，但其基本特征都是類似的，主要組成部分就是現場通用I/O 模塊和光纖傳輸網絡。把I/O 模塊設置在現場，采用光纖作為控制器以及I/O模塊之間的網絡傳輸介質，替代一直沿用的銅芯電纜。文中以和利時公司的工業光總線智能I/O 技術作為切入點，對此類技術進行簡單介紹。

傳統的DCS 控制系統，現場設備的信號要傳輸到控制系統，需要經過現場接線箱、電纜橋架、端子柜、安全柵柜、I/O 機柜等一系列中間環節才能完成。而工業光總線智能I/O 技術徹底改變了這一架構，現場設備直接通過位于現場的工業光總線數據傳輸單元（iDTU）連接到遠端的控制器，省卻了一系列的中間環節。兩者對比如圖1所示。

圖1 傳統控制系統與工業光總線控制系統對比

利用工業光總線智能I/O 技術搭建起的工業光總線控制系統主要由工程師站、操作員站、冗余歷史站、設備管理站、K 系列冗余控制站、冗余工業光總線連接單元（RJU）和工業光總線智能數據傳輸單元（iDTU）等設備組成，其中從iDTU 到RJU 及冗余控制站之間都采用光纖進行通信。

RJU 可設置在現場或設置在機柜室內，起到交換機的作用，每個RJU 可以星形連接16 或者32 個iDTU，采用無源光學器件技術，通過冗余光纜與iDTU 連接，并通過Onet 工業光總線與控制站進行通訊。

iDTU 采用模塊化設計，主要由冗余的VI/O 模塊、冗余的光總線接口模塊以及冗余的電源模塊組成。VI/O 模塊支持AI、AO、DI、DO、PI、Namur 六種信號類型。還支持Modbus 通訊協議，可與第三方系統通信。VI/O 模塊的所有通道在硬件上是完全一致的，只需要通過軟件將通道設置為與現場儀表輸出相同的信號類型即可。

1.2 工業光總線智能I/O技術的優勢

（1）工業光總線智能I/O 技術的應用能為項目建設期帶來顯著的成本優勢。與傳統控制系統相比，工業光總線控制系統由于在控制站與現場數據采集單元之間采用光纖通信，極大地節省了銅芯電纜的使用量，相應地也降低了電纜橋架、人工施工等環節的成本。此外，工業光總線控制系統因為把I/O 模塊設置在現場，因此大幅度減少了機柜室內機柜的數量，從而減少了對機柜室建筑面積的需求，降低了機柜室的土建成本。

（2）工業光總線控制系統相比傳統控制系統具有更高的可靠性。光纖線纜在抗電磁干擾能力以及防雷擊能力上，都要遠優于傳統的銅芯電纜。同時，冗余的光纖傳輸通道，也能很好地保證數據傳輸通道的安全性和可靠性。

（3）工業光總線智能I/O 技術的應用使得設計、施工、調試以及運維等過程變得更加的靈活，從而達到縮短工期、節省人力成本的目的。電纜量的減少除了能節約資金成本外，同時也節省了現場施工時間以及施工難度。通用I/O 卡件的應用，簡化了傳統設計I/O 點編排的過程，使得標準化、模塊化的設計成為可能，從設計、到廠商產品交付、到最后現場施工安裝，各環節的時間周期都能大幅的縮短。

2 工業光總線智能I/O技術在精煉糖廠中的應用

2.1 項目概況

某精煉糖廠設計生產能力為1500t/d。主要生產工藝線路：原糖回溶后，首先經過碳酸飽充、過濾、離子交換脫色工藝，然后經過板式蒸發濃縮、四系煮糖、分蜜、干燥，最后經過包裝生產出符合標準的精糖。

整個生產流程可分為六個生產工段：原料糖回溶工段、澄清和過濾工段、清糖漿脫色工段、蒸發工段、煮糖和分蜜工段、干燥和包裝工段。

2.2 傳統DCS控制系統架構

按傳統的DCS 控制系統架構設計，全廠設一套DCS 控制系統。如圖2 所示。DCS 系統由控制室內的操作員站、工程師站，機柜室內的數據服務器、控制站、I/O 站以及網絡系統構成。I/O 站設在機柜室內，負責所有數據的采集。

圖2 傳統DCS控制系統架構

在煉糖車間三層設1#機柜室，1#機柜室內安裝相應I/O 站機柜，負責接入回溶、澄清、蒸發、分蜜工段的現場設備信號，以及全部工段的電機控制信號；在煉糖車間四層設2#機柜室，2#機柜室內安裝相應的I/O 站機柜，負責接入煉糖煮糖工段的的現場設備信號。

按傳統的DCS 控制系統架構設計，設備及材料用量如表1所示。

表1 傳統DCS控制系統架構設備及材料用量統計表

2.3 工業光總線控制系統架構

有別于傳統的架構，工業光總線控制系統架構把現場數據采集傳輸單元設置到車間現場以及配電室中，大大地縮短了使用銅芯線纜進行電信號傳輸的距離，節省了線纜等材料的用量，節約了機柜室的面積，同時也增強了整個系統的穩定性和可靠性。

工業光總線控制系統主要由現場數據采集傳輸單元、冗余光纖網絡、控制站和上位機等設備組成。根據設備布置的位置情況，分別在設備布置集中處及配電室內，設置現場數據采集傳輸單元，在機柜室中僅需保留1臺控制柜。具體系統架構如圖3所示。

圖3 工業光總線控制系統架構

按工業光總線控制系統架構設計，設備及材料用量如表2所示。

表2 工業光總線控制系統架構設備及材料用量統計表

2.4 對比分析

分析比較表1和表2，可容易看出，使用工業光總線智能I/O 技術能節省超過一半的電纜用量。雖然因為采用了新技術硬件，提高了控制系統的硬件投資成本。但電纜用量的大幅減少，使得與之配套的橋架、鋼管等材料也得以相應的減少，降低了現場施工工程量，縮短了整個項目的建設周期。項目建設期成本的降低以及工期的縮短，使得該技術在經濟效益方面十分具有優勢。

此外，通用I/O 通道、軟件定義I/O 等技術的使用，能減少電纜接線、校線的工作量，改為通過在軟件上進行修改和設置來完成。雖然軟件調試的工作量會因此有所增加，但軟件的修改相對來說較為直接方便，因而還是會使調試效率有所提高。

在項目的運營期，現場儀表的增減或升級在所難免。使用工業光總線智能I/O 技術后，增加現場儀表，無需再長距離敷設電纜至機柜室，只需就近接入現場數據采集傳輸單元即可。若有大量的儀表增加，也只需在現場增加一臺現場數據采集傳輸單元，通過光纖接入控制系統即可。整個升級改造過程將變得十分靈活。

3 結束語

工業光總線智能I/O 技術無疑是一種創新性的技術應用，在國內工業項目中應用場景不算太多，但目前也有數十例成功的應用。工業光總線控制系統的使用狀況，用戶普遍的反饋如下：在環境惡劣的工況下，新系統運行穩定可靠；新系統可顯著降低電纜傳輸存在的干擾，提高信號準確度；電纜敷設、電纜橋架的安裝施工的工程量和難度明顯降低；工期明顯縮短；現場機柜間的面積極大減小；投資成本明顯降低。

當然，不同的項目要根據項目的實際情況選擇合適的控制系統方案，不能一概而論。但工業光總線智能I/O技術無疑為工業控制領域開辟了一個新的方向，為工程師們提供了一種新的設計思路，也為廣大的用戶提供了一種新的選擇。