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作者:来源:www.aqtd.cn 发布时间:2010-01-12 来源:中国工控网 繁体版
一 本质安全防爆接口技术的新格局为了适应工业过程自动化控制系统及仪表的发展,如今的本质安全防爆接口技术及其产品呈现出前所未有的多样性。归纳起来,可分为3类应用方案:(1)从点对点接线到点对点接线(Point to Poin
一 本质安全防爆接口技术的新格局

为了适应工业过程自动化控制系统及仪表的发展,如今的本质安全防爆接口技术及其产品呈现出前所未有的多样性。归纳起来,可分为3类应用方案:

(1)从点对点接线到点对点接线(Point to Point),即传统安全栅方案。这类本安防爆接口以隔离式和齐纳式安全栅为代表。应用特点是现场仪表以点对点的接线方式接至安全栅,安全栅再以点对点的接线方式接至控制系统(DCS/PLC)的I/O卡。这是传统的本安防爆接口技术。

(2)从总线到总线(Bus to Bus),即现场总线方案。代表产品为现场总线本安中继器、安全网桥、本安配电链接模块和本安配电链接现场模盒等。应用特点是现场仪表以现场总线方式连接,经过上述产品,仍以现场总线方式接至控制系统的现场总线网卡。这是最新的本安防爆接口技术。

(3)从点对点接线到总线(Point to Bus),即远程I/O方案。代表产品为远程I/O型的隔离栅和本安型的远程I/O。应用特点是现场仪表以点对点的接线方式接至远程I/O,而远程I/O则以总线方式接至控制系统的通信总线或现场总线网卡。显然,这是兼顾前两类应用方案的一种中间方案,也是本文将详细讨论的方案。

二 远程I/O型本安防爆接口技术的优势

采用远程I/O型本安接口技术的好处主要体现在以下几点。

1. 与传统安全栅方案相比

(1)由于减少了电缆和控制系统I/O卡的使用量,从而可节省系统的硬件成本;

(2)由于减少了电缆铺设和接线的工作量,从而可降低工程的施工费用;

(3)由于智能化程度大大提高,更方便用户的使用和维护。

2. 与现场总线方案相比

(1)可将传统模拟量信号挂接到现场总线上,这些模拟量信号如4~20mA信号(AI/AO)、热电偶和热电阻信号、NAMUR开关和干接点信号(DI)、NAMUR或干接点频率量信号(PI)、电磁阀驱动信号及报警输出信号(DO)等,并不会很快被现场总线完全取代;

(2)可在一根总线上传递更多点位的测量和控制信息;

(3)更适应员工素质的逐步提高,既可使用传统的仪表检测工具对现场仪表进行维护和检修,又可使用PC机等智能工具学习现场总线仪表的维护和检修方法,为今后使用现场总线仪表做准备。

三 适用远程I/O方案的防爆场合

虽然包含本安防爆功能的远程I/O品种现在已经很多了,但是什么样的防爆场合适用远程I/O方案仍然是人们经常关心的话题。实践表明,在以下几种防爆场合,用户会考虑采用远程I/O方案以满足各自不同的要求:

(1)当同时建设几个比较分散的装置时,用户既不愿为每个装置都建设独立的主控室,又不愿将太多的钱花在电缆和桥架上。此时,如果这些装置本来就准备采用本安防爆,适当选用带有本安防爆功能的远程I/O便可一举两得。

(2)当主要装置进行建设时,常有某些辅助装置的建设不能同步进行,或者主装置的某一部分不能同步进行,甚至不能确定这些部分何时才能建设。如果预留这部分的主控室空间或DCS容量,耗费又太大。此时,若这些辅助装置和不确定的部分需要本安防爆,则可采用远程I/O方案,只需预留DCS的串行通信口就可以了。

(3)当装置改扩建时,用户希望避免在已经拥挤的主控室扩充新的 DCS机柜和安全栅机柜。此时,只要原有的DCS系统有备用的串行通信卡,或可以扩展一个通信卡,而且DCS的控制器尚有足够容量,便可采用远程I/O方案。

(4)当一个装置的检测点很多,而控制点较少时,用户会感觉同时购置大量I/O卡和安全栅用于检测点不值得。此时,较合理的方案就是采用结合I/O卡和安全栅功能为一体的远程I/O。

(5)当一个装置采用现场总线方案时,用户会发现有些现场仪表没有现场总线型品种,或者不值得采用现场总线型仪表。这时,可采用能挂接到现场总线上去的远程I/O。

四 应用远程I/O时的疑虑及其解答

当一个用户已经习惯了DCSI/O卡配合安全栅的传统方案时,他对远程I/O方案的应用免不了心存疑虑。然而,随着他对远程I/O的了解越来越多,他的疑虑就会越来越少。

1. 疑虑一,系统的可靠性

人们最常遇到的问题就是DCS的控制点I/O卡通常都采用冗余方案,那么远程I/O的I/O模块可以冗余吗?如果不能冗余,岂不是会降低系统的可靠性?

要解答这个疑虑,必须再仔细分析I/O卡配合安全栅的应用方案。的确,对于控制点,DCS通常采用冗余的I/O卡。但是,应该注意到,安全栅是不冗余的。为了将安全栅故障的影响限制在最小范围内,通常都采用单通道隔离栅,并要求隔离栅可热插拔。所以,如果采用单通道、可热插拔的远程I/O型隔离栅,并采用冗余的网关和通信总线,则采用远程I/O方案时,系统的可靠性事实上并没有被降低。当然,如果采用多通道的远程I/O模块,由于I/O模块不冗余,系统的可靠性将受到影响。

2. 疑虑二,系统的运行速度

采用远程I/O,众多检测和控制信号通过一根总线与DCS双向通信,那么系统的运行速度是不是会因此而大幅降低呢?

首先,串行通信速度永远比不上并行通信速度,这是不争的事实。但是我们需要关心的应该是采用远程I/O方案后,系统的运行速度能否满足工艺的要求。或者说,更应该关心如何正确选用远程I/O,以满足工艺的要求。

其次,应该认识到,远程I/O的通信周期,通常只占系统运行周期的一小部分。同时,选用恰当的通信协议和波特率,往往可以将远程I/O的通信周期对系统运行速度的影响减小到最低程度。

其三,不是所有的装置都对运行速度敏感。即便是对那些对运行速度敏感的装置,通常也只有部分回路对运行速度的要求比较苛刻。选择方案时,应充分根据工艺的不同要求灵活处理。人们常常会忽视,在大部分装置中,将I/O卡配隔离栅方案和远程I/O方案组合应用,可以各取所长,珠联璧合。

3. 疑虑三,通信总线协议的选择

要应用远程I/O就得至少掌握一种通信协议,岂不是多添一份负担?况且通信协议的品种那么多,都各说各的好。到底选什么,难以把握。

通信总线协议的确各有千秋。但,也不是没有选择的方法。最简单而合理的原则,就是跟着DCS走。DCS供应商热衷什么协议,就考虑选用什么协议。第二个原则,是以我为主,即自己对什么协议熟悉,就采用什么协议。

P+F公司的远程I/O通常可以通过选择不同的网关来支持多种不同的通信协议。现简单介绍几种最常用的协议:

(1)Modbus-RTU。这是一个开放性和通用性 非常好的通信协议。长期以来,一直作为DCS和PLC之间通信的标准协议,几乎所有的DCS和PLC都支持它。采用RS-485物理层,屏蔽双绞线电缆。通信距离200~1200m。波特率为9.6~38.4kb/s。其特点是简单、通用、普及和容易掌握,但通信速度比较有限。

(2)Profibus-DP。这是一种应用越来越广泛的开放性总线协议。长期作为西门子、和利时等公司DCS系统的内部总线协议,发展得非常完善。现在已成为众多DCS系统的标准远程通信协议。如ABB、福克斯波罗、横河、艾默生等公司的DCS,均支持这种通信协议。采用RS-485物理层、屏蔽双绞线电缆。通信距离200~1200m。波特率为93.75kb/s至1.5Mb/s。特点是普及和通用性较好,通信速度足够快。

(3)Profibus-PA和Foundation Fieldbus。这是目前比较流行的两种现场总线协议。采用这种协议的远程I/O,主要是为了将传统的模拟量信号挂接到现场总线上。其物理层采用IEC61158-2标准,标准现场总线A型电缆,通信距离200~1900m,波特率为31.25kb/s。

除此以外,还有ControlNet、Modbus Plus、EtherNet等,就普及和通用性而言,均不及上述介绍的几种协议。

4. 疑虑四,远程I/O的现场安装

DCS的I/O卡和隔离栅的机柜通常都安装在有空调的控制室内,环境优越。而远程I/O要安装在现场,人们难免会对现场的环境条件多一层顾虑。如远程I/O本身的防爆问题,现场的防水、防尘和防腐问题等。

这里所讨论的远程I/O都包含有安全栅的功能,所以对现场仪表而言,与采用普通安全栅时一样,都是本质安全防爆。对此不作详细解释。

至于远程I/O本身,常用的防爆方法有两种:一是无火花型防爆,Ex n,远程I/O可安装在危险区 Zone 2(Division2);二是本安防爆,Ex ib,远程I/O可安装在危险区Zone 1(Division 1)。两者无所谓孰优孰劣, 选用时完全看现场危险区的划分。

安装远程I/O的现场机柜应满足防水、防尘和防腐的要求。比如,对于普通现场环境,应采用IP54至IP65防护等级的不锈钢密封机柜;对于强腐蚀性现场,可采用正压通风机柜;对于严寒或酷热环境,可采用伴热或冷却保温机柜。

从“以人为本”的理念出发,越来越多的工厂在装置附近设置现场工作小屋。此时,可将远程I/O安装在此工作小屋内。

5. 疑虑五,HART智能通信

如今,HART智能通信已经广为普及。于是,当人们讨论是否选用远程I/O的时候,自然就会问,使用远程I/O方案后,还能进行HART通信吗?

事实上,有不少远程I/O支持HART智能通信。但它们中的大多数并不是通过与DCS连接的通信总线进行HART通信,而是通过集成在远程I/O中的HART多路扫描器,建立独立的远程HART管理系统。这是为了让DCS通信总线专心处理检测和控制信息。

用户如果喜欢HART智能通信,选用远程I/O时就应该与供应商充分讨论,以确定恰当的配置方案。不仅要注意软、硬件配置的简便和廉价,更应该关注HART通信与正常的检测和控制信号通信的相互影响。

五 远程I/O型隔离栅




P+F公司的RPI是一款充分照顾用户对 DCS和传统隔离栅应用习惯的远程I/O型隔离栅。其应用结构如图1所示。

(1)RPI的远程隔离栅模块与P+F公司的KF系列隔离栅极为相似,它们的外形、DIN轨道安装方式、可选择单通道和点点隔离的模块、双通道或4通道模块、轨道式供电和可插拔信号端子,以及适用的现场仪表品种等都相同。总之,RPI尽可能地保留了KF系列隔离栅的应用特点,以照顾传统隔离栅用户的应用习惯。

(2)与普通隔离栅不同的是,进入RPI远程隔离栅模块的信号全部经数字化处理,然后经合成在电源轨道之中的内部总线传送至网关,再由网关经外部总线与DCS通信。而控制输出信号则反方向操作。

(3)内部总线为改进型冗余CAN总线。免调试全自动运行,全自动自诊断。

(4)网关和外部总线可冗余配置。每台或每对网关可带125个隔离栅模块。

(5)RPI可采用冗余配电方式。

(6)高可靠性的系统配置。由于RPI可采用单通道、点点隔离的隔离栅模块,冗余的内部总线、冗余的网关和外部总线及冗余的配电,所以,只要DCS也采用冗余的通信卡配置,便可组成全冗余、高可靠性的远程I/O系统。其运行安全性决不低于由DCS冗余配置的I/O卡加上普通隔离栅所组成的传统方案。

(7)RPI的所有模块本身都采用无火花型防爆,即ATEX Ⅱ 3 G EEx n Ⅱ A T4,可安装在危险区Zone2(Division 2)。这已可满足大部分现场机柜安装地点的防爆要求。

(8)RPI的所有模块均可在线热插拔。除更换网关需下装组态文件外,所有其他模块的更换,均可即插即用,无需重新组态。在线维护极为方便。

(9)RPI支持众多通信总线。如Profibus-DP、Profibus-DPE、Modbus-RTU、Modbus-Plus、ControlNet、Ethernet等,从而几乎可与所有DCS和PLC通信。

(10)RPI支持HART通信。除了Profibus-DPE网关支持通过Profibus-DPE总线直接进行HART通信外,其他网关可通过RS-485通信口与AMS、Conerstone、Pactware等 HART管理系统相联。

(11)RPI的远程I/O型隔离栅模块品种非常齐全。各种模块可任意组合、混合安装。而且,由于采用内部总线结构,使各模块的内部地址与其安装的位置没有关系。这就使得RPI系统无需编组(Marshalling)。

(12)RPI可与普通KF系列隔离栅混合安装,共用电源轨道,而互不干扰。此方案常用于那些对控制回路的响应速度要求特别高的装置。即控制点采用DCS冗余I/O卡配合KF系列隔离栅,而检测点采用RPI以节省DCS的I/O卡。

六 本安型远程I/O

P+F公司的本安型远程I/O系统IS-RPI,是目前为数不多的、可安装在危险区Zone 1(Division1)的远程I/O系统之一。其系统结构如图2所示。




(1)IS-RPI不但包含安全栅功能,为现场回路提供本质安全防爆,其I/O模块和网关本身也采用本安防爆ATEX II 2 G EExibⅡCT4。 因而可安装在危险区Zone 1(Division 1)。

(2)IS-RPI的最大特点是可以直接挂接在本安防爆的现场总线上与DCS通信。图2中的模块B此时为现场总线的安全网桥。现场总线可为IEC61158-2物理层的Profibus-PA或Modbus-RTU。每段现场总线可挂接4组 IS-RPI。IS-RPI也可以与其他现场总线仪表挂接在同一段总线上。

(3)IS-RPI支持冗余的Profibus-DPE总线(总线电缆冗余)。此时,图2中的模块B为DP总线隔离栅。采用此总线的优点是通信速度快,IS-RPI的通信波特率可高达12Mb/s,从而能满足绝大多数装置的工艺要求。

(4)IS-RPI还支持ControlNet总线的光缆通信。此时,图2中的模块B为适配解调器。采用光缆通信可使通信距离长达3km,从而实现超远程通信。

(5)每台IS-RPI网关可带8个多通道的I/O模块。

品种包括模拟量输入(8通道)、模拟量输出(8通道)、温度信号输入(8通道)、开关量输入(16通道),开关量输出(4或8通道)和频率量输入(双通道)等。

(6)IS-RPI的网关和I/O模块均采用本安配电。 其本安配电箱挂装在IS-RPI现场机柜之外。这样做的目的是保证IS-RPI机柜内均为本安防爆,使所有柜内接线和模块维护均可在线热操作。

(7)IS-RPI的工作温度可高达70℃。因而更适合现场安装。

(8)IS-RPI最具特色典型的应用,是用户采用现场总线Profibus-PA作为总体方案,但发现有些现场仪表只有传统4~20mA模拟量品种,或者还有热电偶热电阻或干接点等简单仪表。此时,就可通过IS-RPI将这些仪表挂接到现场总线上,从而保证了总体方案的顺利实施。

七 现场总线的现场I/O模盒

如今,现场总线Foundation Fieldbus和Profibus-PA的应用越来越令人关注。现场总线的本安防爆已经不成问题。现场总线仪表的品种也日益增加。但是,有一个问题始终困扰着用户,就是开关量输入输出信号如何挂接到现场总线。

P+F公司为此发明了一种本安型的现场总线现场I/O模盒――FPI,专门用来将开关量输入输出信号挂接到现场总线。FPI的应用如图3所示。

(1)FPI现场I/O模盒相当于一个多参数的现场总线仪表,应用时直接挂接在FF现场总线的H1或者Profibus-PA总线上。通常,每段本安总线可挂接4个FPI模盒。

(2)最常用的FPI是用于开关阀控制回路的开关量输入输出,可将8个开关量输入信号(接近开关或干接点信号,如阀门反馈信号)和4个开关量输出信号(电磁阀驱动信号)挂接到FF的H1或Profibus-PA总线上。

(3)另一款常用的FPI主要用于液位控制,它可将4台NAMUR型音叉液位开关和8个阀门反馈信号开关挂接到Profibus-PA总线上。

(4)FPI均为本安防爆ATEX Ⅱ (1)2 G EEx ia ⅡC T4,可安装在危险区Zone 1(Division 1)。

(5)FPI均有IP65防护等级的现场安装型机壳,可直接在现场安装,无需机柜。

(6)FPI由现场总线供电。图3中的模块B,在应用于FF的H1总线时为FF总线本安中继器;应用在Profibus-PA总线时为现场总线安全网桥。它既给现场总线配电,又实现了现场总线的本安防爆。




八 结束语

应用于本安防爆场合的远程I/O品种已经非常丰富,应用实例也已经非常多了。用户结合各自的应用需要,合理选用远程I/O,应当能够找到既节省投资,又安全可靠的应用方案。


远程I/O及其本质安全防爆
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