在現代大型石油化工工廠中，DCS對工廠的自動化、信息化和智能化起著重要的作用，作為DCS重要部分的輸入輸出(I/O)模塊，在技術和產品方面也在不斷迭代，呈現出新的特性。
常規DCS中，通常在I/O模塊上集成多個相同類型的I/O通道連接同類信號，I/O模塊均布置在控制室或機柜室的控制系統機柜中，現場控制儀表通過電纜將信號連接到DCS的I/O通道上。
隨著石油化工工廠的規模越來越大，智能化程度越來越高，信號數量越來越多，設計周期越來越短，采用常規單一功能的I/O模塊對于設計周期和系統交付造成了新的挑戰。為適應各行業數字化、智能化發展需求，各DCS供應商相繼推出了遠程I/O技術的智能解決方案，I/O模塊從功能單一向通用化，集中部署向現場分布式部署轉變，可提高控制系統交付速度、降低施工成本、縮短項目建設時間。目前，分布式通用I/O技術已經顯示出大規模推廣應用的趨勢。
1、通用I/O關鍵技術
常規I/O模塊的通道只支持某一類信號，大型石油化工工廠或裝置通常將I/O模塊統一布置于DCS的系統機柜內，來自現場的儀表控制電纜按照信號類型接入相應的儀表端子柜，再按照I/O模塊的通道數接入到系統機柜。隨著生產裝置控制系統規模的增加，應用功能單一的I/O模塊機柜越來越多，現場機柜室占地面積越來越大，建設成本越來越高；大量機柜間接線，排查維護不便；在DCS采購前需要確定每種類型信號的數量，DCS機柜設計、制造周期等。
通用I/O模塊的每個通道可通過軟件獨立設置信號類型，現場的不同信號可以接入到同一個I/O模塊中，大幅減少機柜的數量和類型，通過采用光纖通信節省大量控制電纜，提高了工程實施質量。
1.1 支持信號類型完整性技術
石油化工裝置中的信號包括AI，AO，DI，DO，TC，RTD等，適用于石油化工行業的通用I/O必須同時支持所有信號類型，才能實現真正的通用。如對于AI信號，通用I/O模塊應直接支持2線制、3線制，有源、無源等各種連接方式；對于DI信號，應直接支持干觸點、繼電器隔離、NUMAR等各種模式。
1.2 高速信號采集技術
由于同時支持所有信號類型，通用I/O模塊的接口電路復雜度相應增加，電路之間的相互干擾耦合也增加。受模數轉換芯片發展水平以及抗工頻干擾要求的限制，常規I/O模塊的AI采樣周期通常需要50ms甚至200ms以上。為適應石油化工裝置平穩運行的要求，多片數模轉換器(ADC)并行迭代采樣的方法被應用到通用I/O模塊中，在通用I/O模塊的每個通道設置獨立的ADC，前端利用ADC進行高速采樣，在后端使用可編程門陣列(FPGA)對采樣數據進行高速拼接和工頻濾波，實現10ms高速高精度AI采樣。
1.3 通道類型在線切換技術
通用I/O模塊是通過軟件定義通道類型的智能I/O模塊，很好地解決了裝置運行過程中信號變更的問題。增加或變更I/O信號，只需要在軟件中對變更的通道進行重新定義并下裝即可。與常規單功能I/O模塊一樣，通用I/O模塊也是多通道的。當一個通道變更時，其他通道可能正處于工作狀態，這就要求控制系統能夠實現通道級在線切換，在新組態下裝及組態切換過程中，未變更的信號通道不發生間斷和擾動。
通用I/O模塊每個通道都支持多種功能，尤其是用做多個HART變量的AI/AO功能時，需占用內存多。通過采用一種通道內存索引分配的方法，確保未變更通道的內存不變，實現通用I/O模塊的通道類型在線切換。
2、通用I/O分布式應用技術
為降低儀表控制電纜的設計和施工成本，減少機柜數量和機柜間面積，將通用I/O模塊及相應附件組成遠程I/O接線箱，并進行現場分布式部署是一種可行的方案。
遠程I/O接線箱可以盡可能近地布置到儀表附近，大幅減少電纜長度。遠程通用I/O模塊通過光纖數字總線與控制器進行通信，獲取配置信息和輸出信號設定值，同時回傳模塊當前狀態；通過與現場設備之間電流信號或開關信號的傳輸，實現如閥門、定位器等現場設備的控制。
2.1 防爆技術
石油化工生產裝置經常存在爆炸危險氣體，遠程I/O接線箱在現場部署時必須滿足防爆和防護要求，獲得CCC強制性產品認證。具體要求如下：
①危險區域適應能力。石油化工現場裝置基本處于爆炸危險環境中，對于現場儀表，可能安裝于2區、1區，也可能安裝于0區；對于遠程I/O接線箱，由于和現場儀表仍使用電纜連接，可以不具備在0區直接使用的能力，但至少應可以在2區部署。
②防爆形式選擇。根據GB/T3836.1-2021《爆炸性環境第1部分:設備通用要求》規定，在2區危險區應用的防爆電氣產品可以采用多種防爆形式。結合遠程I/O接線箱技術原理和石油化工現場裝置特點，可采用多種防爆形式結合的方式。如220V配電箱使用隔爆型，遠程I/O接線箱采用增安型，連接儀表的端口采用本安或者隔爆型。
2.2 冗余通信技術
現場的遠程I/O接線箱和控制室的主控制器通過光纖數字總線交互數據。對于通用I/O模塊，傳輸的數據不僅包含4-20mA數據，還包含HART輔助變量數據，用于診斷、維護、管理的非周期命令等。
假設一對冗余的總線上需傳輸1000臺儀表的數據，加上HART變量數據，按照100ms的周期進行刷新，需要傳輸的數據量可能超過200KiB/s，需要占用2MiBit/s的總線帶寬，因此應采用至少10MiBit/s傳輸能力的數字通道，如100/1000M的工業以太網。
在使用100M工業以太網的情況下，數字通信總線的平均負荷率低于2%，可滿足大規模數據周期傳輸的需求，還可滿足關鍵數據快速響應的需求。
2.3 惡劣環境適應性
鑒于遠程I/O接線箱安裝于室外露天環境，需要適應高溫、高濕、鹽霧、沙塵、雷擊、臺風、暴雨等應用條件。通過熱仿真軟件，對遠程I/O接線箱進行熱仿真建模，得到遠程接線箱內溫度分布，如圖1所示。
圖1 遠程I/O接線箱溫度分布示意
通過熱仿真結果可知，遠程I/O接線箱頂部溫升較高，主要原因是電源等發熱模塊部署于接線箱頂部，箱內熱量積聚于頂部，無法快速散出，導致接線箱頂部出現高溫。建模仿真的同時搭建實際測試環境(環境溫度為38.4℃)，選擇接線箱頂部、左側底部，右側中部三個區域進行現場運行測試，測試結果見表1所列。
表1 不同測試環境和測試方法下的溫度測試結果
遠程I/O接線箱在現場安裝時，應安裝在橋架或有遮擋物的陰涼處，配置遮陽棚等措施，降低遠程I/O接線箱內溫度。
3、通用I/O技術的工程應用
通用I/O技術應充分考慮石化裝置存在的高溫、高濕、雷擊、暴雨、腐蝕、振動等惡劣環境條件。對比常規DCS的工程應用，通用I/O技術的工程應用積累和沉淀顯得尤其重要。
項目設計過程中，可能會存在資料變更、工期緊張等情況，采用遠程I/O方案，可以有效將工程建設和控制設計并行開展，有效推進工程的實施。同時，與傳統I/O模塊方案相比，采用遠程I/O模塊可以根據總點數進行備用點預留，可有效減少備用模塊數量。
遠程I/O技術應用上相較于常規DCS的I/O技術有著不同的優勢，在工程設計中需要關注組網架構設計、供電與接地、環境適應性等。
3.1 網絡結構設計
遠程I/O模塊支持靈活的網絡架構，根據現場環境、現場信號的集中程度，提供優化組網方案。為保證安全性、可靠性，優先選擇交換機星型拓撲組網方案。
遠程I/O接線箱通過光纖接入DCS控制網絡，確保通信網絡的可靠性與可用性，應采用冗余架構；遠程I/O接線箱的通信光纜、交換機應采用冗余架構設計。遠程I/O系統網絡架構如圖2所示。
圖2 遠程I/O系統網絡架構示意
3.2 供電與接地設計
供電設計應符合SH/T3082-2019《石油化工儀表供電設計規范》的規定，需考慮遠程I/O接線箱安裝位置的設計。遠程I/O接線箱電源宜采用雙路冗余的交流220V UPS電源，兩路供電電纜相互獨立。在遠程I/O接線箱附近配置獨立的防爆配電箱，安裝現場空氣開關及電涌保護器，應帶有在外部可操作空開的撥桿或旋鈕。遠程I/O接線箱接地應符合SH/T3081-2019《石油化工儀表接地設計規范》的規定。接線箱內設置工作地、保護地2個接地銅排，分別接至裝置現場等電位接地網。遠程配電箱配電方案如圖3所示。
圖3 遠程配電箱配電方案示意
4、分布式通用I/O在某煉化廠的應用
某石油化工廠公用工程單元，各類儀表I/O點約400點，單元界區至相應的現場機柜室約1km，共設計5臺遠程I/O接線箱，位于不同的安裝地點，采用單模光纜星型連接方案，DCS控制器安裝在現場機柜室內；確保遠程I/O接線箱避免箱體正面向陽安裝。接線箱安裝方位如圖4所示。
圖4 接線箱安裝方位示意
該項目采用遠程I/O技術之后，減少了建設成本及維護成本，其中，主項單元采用常規DCSI/O與遠程I/O對比見表2所列。
表2 常規DCSI/O與遠程I/O對比
5、結束語
隨著現代工業生產規模不斷擴大，遠程I/O技術具有數字化、集成化、通用化、支持遠程部署的特點，減少機柜間接線與交叉布線，節約工程控制電纜與橋架數量，縮短設計與建設周期，減少全生命周期成本。
遠程I/O技術將有更為廣闊的應用前景。在實際應用與研發過程中應高度關注嚴苛環境條件下長時間的穩定使用，盡可能降低遠程I/O技術的復雜度和成本，提升整體安全性、可靠性、可維護性，持續迭代發展。
作者：李成凱，范宗海，張曉剛，鐘珅，王國慶
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