一種以工業光總線為基礎的工業控制系統

魏 毅，高俊杰

（中國寰球工程有限公司 北京分公司，北京 100002）

0 引言

當前流程工業現場儀表和控制設備之間數據通信的主流形式是銅芯電纜和電信號。工業現場數據通信的兩種主要技術模擬信號技術和現場總線技術都以電信號傳輸為基礎，而傳輸介質都是銅芯對絞電纜。銅芯對絞電纜和電信號傳輸的缺點是：銅線傳輸效率低；銅金屬的消耗量大，成本高昂；電信號容易受到干擾。光纖通信技術天然具有高帶寬、低時延、低損耗、易運維、抗干擾和低成本的特性，可以克服銅芯電纜上述缺點。本文設計了一種以光纖為主要傳輸介質的工業光總線控制系統，提高了現場數據通信性能和部署靈活性，降低了實施成本，給用戶提供了更好的選擇。

1 當前主流現場儀表數據傳輸技術

流程工業控制系統主要形式為分散式控制系統（DCS）和PLC[1]。控制系統設備包括現場儀表/執行器、信號傳輸電纜和設備、IO卡件、控制器和上位機等部分。現場儀表檢測工業流程參數將參數轉換為標準模擬電信號。模擬電信號通過銅芯電纜傳輸到輸入卡件后，轉換為數字信號，數字信號通過數據總線傳輸到控制器，控制器按照預定算法計算出控制參量。控制參量在輸出卡件上轉換為標準模擬電信號，通過銅芯電纜送到執行器。執行器根據控制參量動作，從而控制過程參數在期望范圍之內。

模擬電信號主要有：電流信號（4mA～20mA等）；電壓信號（mV信號，熱電偶電勢，1V～5V等）；開關（通斷）信號（電磁閥、開關、繼電器）。

模擬電信號一般通過銅芯電纜傳輸，其傳輸路徑為：現場儀表-銅芯電纜-接線箱-主電纜-接線柜-IO卡件-控制器。

模擬信號傳輸方式一般稱為硬接線方式，其主要特點為：信號以模擬電壓、電流形式傳輸；一對雙絞銅芯線只能傳輸一個信號；模數轉換（A/D和D/A）在控制系統的輸入輸出卡件上進行。

圖1 控制系統信號傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of signal transmission in the control system

圖2 控制系統設備Fig.2 Control system equipment

硬接線方式是當前流程工業自動控制系統信號傳輸的主要方式，其優點是簡單可靠、調試方便。隨著工廠規模的擴大，硬接線方式的缺點開始顯現。

一是信號傳輸效率低：一對幾百米長的雙絞銅芯線只能傳送一個模擬電信號。大型工業裝置的大量現場儀表信號需要消耗大量的電纜及其輔助設施。同時大量數模轉換卡件（IO卡）安裝在機柜室，占用了機柜室空間。

二是多次信號轉換導致測量精度低：一個現場儀表信號要經過模數、數模和模數3次變換才能到達控制器，控制指令亦然。信號多次轉換增加了控制系統設備成本，而且降低了測量精度和響應時間。

儀表行業在1990年代開發了現場總線技術方案，針對模擬信號傳輸的缺點用數字化技術做了改進。現場總線技術中，儀表作為網絡節點，輸出現場總線數字信號，通過現場總線網絡傳輸到控制器。

現場總線儀表的結構如圖3。整個系統只有變送器的一次模數轉換，其余部分信號以數字形式在總線電纜上傳輸。現場總線技術解決了多次信號轉換和傳輸效率低的問題。

圖3 現場總線控制系統信號傳輸圖Fig.3 Signal transmission diagram of fieldbus control system

現場總線技術主要特點為：信號以數字形式通過總線傳輸；一條雙絞銅芯總線傳輸多個信號；現場總線儀表有更多數據和功能。

現場總線與傳統硬接線相比有一定優勢，可是由于具體產品實現上的不足等原因，使現場總線技術并未得到市場的全面接受。現場總線技術一直沒有成為流程工業控制系統主流技術，目前還有逐步萎縮的趨勢。

2 工業光總線技術

模擬信號和現場總線的傳輸介質都是銅芯電纜，以銅芯電纜為基礎的電信號傳輸有其固有弱點。這些弱點包括：電信號抗干擾能力低，銅芯電纜材料成本高等。光纖通信技術的發展為克服銅芯電纜弱點提供了解決方案。

光網絡通常是指采用光纖作為主要傳輸介質的廣域網、城域網或者局域網。光網絡技術利用光纖及其他光傳輸設備傳輸數據，天然具有高帶寬、低時延、低損耗、易運維、抗干擾的傳輸特點[2]。光網絡可滿足流程工業現場信號傳輸需求，同時又可以保證其網絡的安全、便捷和易用。中國擁有世界領先的光通信技術，將光網絡技術與工業數據傳輸設備相結合，具備天然的條件和優勢。

在光網絡的基礎上，光通信技術相關公司開發了工業光總線技術，為工業數據傳輸提供了新的解決方案[3]。工業光總線是將工業總線技術與光網絡技術結合以提供控制器和現場儀表設備總線信號傳輸的網絡技術。該技術不只是將傳統的工業現場總線與光纖媒質簡單組合，而是為實現更高帶寬、高靈活性和低時延的網絡建設目標，采用光網絡技術對數據傳輸方式和交互機制進行優化，從而為現場級數據傳輸提供更具競爭力的性能指標，解決了傳統現場儀表信號傳輸的瓶頸問題，滿足了企業數字化轉型對網絡提出的更高要求。

3 工業光總線為基礎的新型控制系統

本文設計了一種將工業光總線技術應用于工業控制系統的技術方案，并聯合相關公司開發了工業光總線為基礎的新型控制系統，以下簡稱光總線控制系統或者新型控制系統。

3.1 系統說明

光總線控制系統主要由工業光總線智能數據傳輸單元（以下簡稱數傳單元）、冗余光纖網絡、控制站和上位機等設備組成，系統結構如圖4[4]。

圖4 工業光總線控制系統架構圖Fig.4 Architecture diagram of industrial optical bus control system

1）工業光總線智能數據傳輸單元

數傳單元用于與現場儀表設備連接，實現信號輸入/輸出與轉換、工程單位變換、模塊和通道級故障診斷，通過冗余的工業光總線與冗余控制站通訊。

2）工業光總線設備

工業光總線用于實現控制站與數傳單元之間的數據通信，由工業光總線接口模塊、分光器、光纖組成。

3）控制站和上位機

用于完成現場信號采集、控制和聯鎖保護，具有通過工業光總線網絡將數據和診斷結果上傳到操作員站等功能。上位機包括操作員站、工程師站、歷史數據站、儀表管理站等設備，分別完成人機界面、功能組態、歷史數據記錄以及儀表管理等功能。

3.2 工業光總線智能數據傳輸單元

數傳單元用于連接現場設備（儀表、控制閥等），將儀表信號轉換為數字信號，并通過工業光總線網絡與控制站進行數字通訊。數傳單元由信號調理模塊、通用IO模塊、工業光總線接口模塊以及電源模塊組成[5]。

冗余的通用IO模塊用于現場信號的輸入/輸出，冗余的光總線接口模塊用于數傳單元與分光器進行光纖連接，冗余的電源模塊用于將外部提供的兩路220VAC冗余供電轉換為冗余的24VDC控制電源。

對于本安設計的儀表系統而言，安全柵可以直接插在信號調理器的底板上，現場本安儀表通過安全柵接入通用IO模塊。

數傳單元下行支持總線通信接口，可以連接支持PROFIBUS DP、MODBUS RTU通信的智能設備。數傳單元上行支持MODBUS RTU通訊協議，可以作為MODBUS從站將現場數據傳輸至第三方系統。

通用IO模塊用于完成對現場設備的信號輸入/輸出功能，支持冗余配置。每個模塊支持16路通道隔離的輸入/輸出通道。

每個通道支持的I/O信號類型可以通過工程師站靈活設置，通用IO模塊支持的信號類型包括：

AI（4mA～20mA輸入24VDC、HART、2線制/4線制）

AO（4mA～20mA輸出/24VDC、HART）

DI（干接點/24VDC/SOE）

DI（NAMUR類型）

DO（24VDC）

PI（0.1Hz～10kHz）

為了保證現場設備的可靠性和維護性能，新型控制系統中的通用IO模塊支持主備冗余和N+1冗余兩種冗余形式。主備冗余是指一個信號分別進入主通道和備用通道，一旦主通道出現故障，系統自動切換到備用通道。N+1冗余是指在原有N個采集通道上增加一個備用的采集通道，當模塊中的任意通道故障后，備用通道可以替換已故障的通道。

工業光總線控制系統用軟件來定義通用IO模塊每個通道的輸入/輸出信號類型，使之與現場設備（儀表或控制閥等）的信號類型保持一致。系統通過獲取軟件的設置信息來處理每個I/O通道的數據并進行邏輯運算。這個方式統一了不同現場儀表信號到IO模塊的硬件接線方式，給新型控制系統的工程設計安裝調試帶來了極大的靈活性。

數傳單元自帶溫度和濕度監測功能、支持設備狀態診斷和報警功能。

3.3 工業光總線網絡設備

工業光總線用于實現控制站與數傳單元之間的數據通信，由工業光總線接口模塊、分光器、光纖組成[6]。

工業光總線采用單纖雙向、點到多點的網絡結構。控制站與數傳單元通過無源分光器進行連接，每個無源分光器提供1個上行端口（用于連接控制器光接口）和16/32個下行端口（用于連接數傳單元）。每個光纖端口采用ST卡接式圓形接口，以保證牢固穩定的連接。無源分光器是無電源器件，可以安裝在爆炸危險性環境。

數傳單元和控制器都有冗余的光接口，通過光纖接入不同的無源分光器，從而實現數傳單元和控制器冗余通信。當一個工業光總線網絡出現故障時，備用的工業光總線網絡提供數據傳輸通道，這種設計大幅度提高了數傳單元和控制器通信的可靠性。

工業光總線采用主從輪詢和分時復用技術完成控制站與數傳單元之間的通信。在通信時，T1時間內控制器與1號數傳單元進行數據交換，T2時間內控制器與2號數傳單元進行數據交換，依此順序完成全部數據通信。實驗結果顯示，完成控制器與所有數傳單元通信的循環時間為10ms～100ms，滿足流程工業控制時延要求。

3.4 控制站和上位機

工業光總線控制系統的控制站上位機與傳統DCS基本一致。新型控制系統增加了下面兩個功能：控制站通過冗余的光接口與數傳單元通信；工程師站的組態軟件增加數傳單元IO通道信號類型配置功能，定義通用IO模塊每個通道的輸入/輸出信號類型，使之與現場設備（儀表或控制閥等）的信號類型保持一致。

4 工業光總線控制系統的優勢

4.1 成本優勢

與傳統控制系統相比，新型控制系統用低成本光纖替代了傳統銅芯電纜，使信號傳輸成本顯著降低。新系統大幅度減少了機柜室機柜數量，從而減少了對機柜室建筑面積的需求，降低了機柜室建筑成本。按當前材料和安裝費用測算，銅芯主電纜及其輔助設施（橋架、電纜通道等）占了傳統控制系統投資的40%以上，而工業光總線控制系統的光纖及輔助設施的成本大幅度下降。折算到每一臺儀表，新型控制系統的線纜和輔助設施的費用降低了約2000元人民幣。

4.2 信號傳輸可靠性

新型控制系統采用光纖傳輸并可通過無源光分配網絡組網。控制器和數傳單元之間通過光纖、分光器等無源器件連接，新型控制系統信號傳輸的抗干擾性強，并提供了靈活的現場終端儀表接入能力。針對工業運行對連續可靠運行的要求，新型控制系統提供了冗余的數據傳輸通道。任何一路光纖通道的丟失，都不會導致數據傳輸中斷。新型控制系統支持故障定位和在線恢復。

新型控制系統的儀表電信號傳輸距離大幅度縮短，信號受到干擾的可能性大幅度降低。具體實踐中，用戶反映新型控制系統的儀表信號穩定性有明顯提升。

4.3 設計和部署靈活性

通用IO卡件和光纖網絡技術給控制系統設計集成和安裝提供了較大的靈活性。傳統DCS設計流程是串行開展的，以下工作按照順序進行：現場儀表設計、接線箱和主電纜設計、控制系統和IO機柜設計和集成、組態和測試、現場安裝和測試。新型控制系統使得控制系統和數傳單元的設計和集成、組態和測試等工作可以和現場儀表設計、接線箱和主電纜設計并行進行。新型控制系統硬件成為標準產品，不必根據現場設計重新定制硬件設備，系統交付周期大幅度縮短。初步統計，新型控制系統的設計安裝時間比起傳統DCS能夠減少50%左右。

在安裝和運行過程中，現場儀表的變更和升級在所難免。在新型控制系統中，用戶只需要在現有數傳單元尋找備用通道即可。如有大量信號增加，用戶只需增加數傳單元，通過接入分光器的方式將新的數傳單元方便地進入控制系統。新型控制系統技術給工廠升級改造提供了靈活性。

5 工業光總線控制系統在某項目上的實踐

山東某公司是精細化工產業研發、生產、經營的高新技術企業。該公司于2021年進行安全換證。根據安監部門要求，公司計劃升級控制系統，并將控制系統設備搬遷到主工藝車間生產裝置外350m的新建機柜室。工程要求3個月前完成改造。常規控制系統方案從現場接線施工，再到供貨調試在項目工期內根本不可能完成。另外由于工廠用地和成本原因，機柜室空間有限，容納不了傳統控制系統設備。綜合以上因素，公司選擇了工業光總線控制系統作為升級用控制系統。

根據項目實際情況，DCS系統現場信號使用通用IO智能數傳單元+光纖采集方式。三線制RTD信號、配電室電氣信號、SIS、GDS系統采用常規方案。現場儀表信號點數約1300點，控制系統包括3個DCS機柜+1個SIS機柜+1GDS機柜+6臺操作員站+1臺工程師站服務器，現場實際使用16個分光器、68套智能數據傳輸單元[7]。

采用工業光總線控制系統新技術方案，工廠改變了傳統控制系統的作業方式，大幅度縮短了施工周期，提高了現場安裝靈活性，節省了項目投資成本，投運效果良好，保證了工廠按期順利取得安全換證。

6 結論

工業光總線控制系統將現場數據傳輸介質由銅芯電纜改為光纖，改變了傳統控制系統的現場數據傳輸架構，降低了信號傳輸成本，提高了現場儀表信號傳輸的可靠性、安全性和靈活性，滿足了當前流程工業數字化智能化的需求，給用戶提供了新的價值。