OCS 系統(tǒng) 在?；袠I(yè)中的應(yīng)用

1引言

2020年4月1日，國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會發(fā)布《全國安全生產(chǎn)專項整治三年行動計劃》，開始了對全國各個行業(yè)的安全生產(chǎn)專項整治行動，危險化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營企業(yè)自動化減人、抗爆控制室及機(jī)柜間的改造成為焦點。三年行動整治計劃的收官之年出臺《石油化工建筑物抗爆設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)一步體現(xiàn)了以人為本，安全第一的宗旨，人員撤離現(xiàn)場，控制室和機(jī)柜間抗爆改造勢在必行。很多企業(yè)現(xiàn)場機(jī)柜間不能滿足規(guī)范要求，需要抗爆改造，高昂的改造費用讓企業(yè)望而卻步。電子布線系統(tǒng)——OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)技術(shù)能完美地解決這一難題。

2 OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)的自動化控制設(shè)計中，現(xiàn)場檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是通過大量儀表電纜和DCS進(jìn)行連接，每一臺儀表或者控制閥均需要獨立的電纜進(jìn)行信號傳輸，檢測信號傳輸至安全柵柜，再至DCS的I/O機(jī)柜等一系列中間環(huán)節(jié)才能完成。一套生產(chǎn)裝置需要幾千根電纜，電纜的采購和施工費用占了大量資金。如果電纜直接敷設(shè)到中央控制室，不僅需要高昂的費用支撐，還存在傳輸信號衰減的技術(shù)難題。為了節(jié)省大量的電纜鋪設(shè)費用，往往在生產(chǎn)裝置附近建設(shè)儀表機(jī)柜間，安裝DCS控制器，DCS通過光纖傳輸至中央控制室。隨著安全監(jiān)管的深入現(xiàn)場和以人為本的理念植入人心，現(xiàn)場機(jī)柜間需要抗爆建設(shè)已經(jīng)是危險化學(xué)品企業(yè)的共識。而抗爆機(jī)柜間的建設(shè)費用，比電纜直拉中央控制室有過之而無不及。和利時OCS工業(yè)光總線技術(shù)的誕生，同時解決了以上兩個難題。

Onet工業(yè)光總線技術(shù)解決了控制器與現(xiàn)場設(shè)備的通訊問題，將iDTU（智能數(shù)據(jù)傳輸單元）分散式安裝在現(xiàn)場各個區(qū)域，用一組光纖代替了現(xiàn)場儀表到機(jī)柜間眾多的電纜，節(jié)省了大量的電纜購買和敷設(shè)費用。而且光纖還可以減少電纜傳輸中的干擾與衰減。Onet工業(yè)光總線技術(shù)采用無源光學(xué)器件技術(shù)，物理壽命可達(dá)無限大。光總線通訊的高帶寬可以傳輸更多的周期數(shù)據(jù)以及非周期參數(shù)等數(shù)據(jù)到控制器中，控制器經(jīng)過控制邏輯運算后完成相應(yīng)的控制。由于iDTU分散在現(xiàn)場各個區(qū)域，機(jī)柜間不再需要數(shù)據(jù)采集卡件，DCS系統(tǒng)只剩CPU部分，光纖傳輸具備實時性和可靠性，DCS的CPU部分完全可以集中在中央控制室，取消現(xiàn)場機(jī)柜間，省去抗爆機(jī)柜間建設(shè)的巨資。

傳統(tǒng)機(jī)柜間的安全柵柜、端子柜和I/O卡件全部分散在 現(xiàn)場iDTU中，取消了大量金屬線纜，不但可以降低項目成本，還可以大幅降低材料和能源的消耗，可以把DCS控制器和中央控制室合用，幫助企業(yè)節(jié)省大量的資金。

3 OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)融合了工業(yè)光總線技術(shù)和DCS技術(shù)，工業(yè)光總線技術(shù)是和利時在OCS上的一次創(chuàng)新應(yīng)用，雖然利用光纖來傳輸以太網(wǎng)協(xié)議的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但在光纖上傳輸工業(yè)總線協(xié)議仍然要克服很多技術(shù)上的難題。和利時利用其多年在DCS上的控制網(wǎng)絡(luò)Cnet積累的技術(shù)基礎(chǔ)，

開發(fā)了基于光通信的Onet冗余工業(yè)光總線。Onet符合IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)、JB/T10308.3-2001國標(biāo)和EN50170歐標(biāo)的要求，突破了現(xiàn)場總線光電設(shè)備的點對點傳輸限制，支持星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)主光電設(shè)備通過光纖和總線連接單元星型連接多個從光電設(shè)備，降低了光纖和光電收發(fā)設(shè)備的數(shù)量，有利于節(jié)約材料、設(shè)備及成本。

4 OCS技術(shù)攻克的技術(shù)壁壘

4.1由于?；袠I(yè)的易燃易爆特性，電氣設(shè)備失爆是引起著火爆炸的重要因素。達(dá)到防爆要求以適用于易燃易爆環(huán)境是工業(yè)光總線的技術(shù)壁壘，和利時iDTU率先攻破此技術(shù)難題，通過增安型無火花一體化防爆認(rèn)證，并獲得TUVIEC/ATEXExecnAnC[iaGa]IICT4Gc,IP66，TUVIEC/ATEXExecnAnCIICT4Gc防爆認(rèn)證,支持-40至+70℃寬溫工作溫度、-40至+55℃環(huán)境溫度下防爆，并且模塊自帶溫度和濕度監(jiān)測功能，支持狀態(tài)預(yù)診斷，走在工業(yè)光總線技術(shù)的前沿。

4.2傳統(tǒng)的控制機(jī)柜都是放置于機(jī)柜間，而機(jī)柜間則是有嚴(yán)格的環(huán)境要求，夏天溫度控制在（26±2）℃,冬天溫度控制在（20±2）℃,相對濕度均為（50±10）%，噪聲不得大于75[dB（A）]，相對于機(jī)柜間環(huán)境，現(xiàn)場安裝的iDTU運行環(huán)境明顯更惡略，但和利時iDTU獲得CE認(rèn)證、G3防腐測試、EMC3級判據(jù)，特別是采用車規(guī)級（汽車用芯片溫度范圍-40℃―125℃)寬溫芯片，保證產(chǎn)品的耐溫特性，密封等級達(dá)到了“nR”限呼吸型，避免現(xiàn)場有害氣體及水汽結(jié)露腐蝕，并在現(xiàn)場各種工況下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

5 OCS技術(shù)先進(jìn)性

OCS技術(shù)在DCS上的控制網(wǎng)絡(luò)Cnet積累的技術(shù)基礎(chǔ)，開發(fā)了基于光通信的Onet冗余工業(yè)光總線。Onet符合IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)、JB/T10308.3-2001國標(biāo)和EN50170歐標(biāo)的要求，突破了現(xiàn)場總線光電設(shè)備的點對點傳輸限制，支持星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)主光電設(shè)備通過光纖和總線連接單元星型連接多個從光電設(shè)備，降低了光纖和光電收發(fā)設(shè)備的數(shù)量，有利于節(jié)約材料、設(shè)備及成本。

基于軟件定義IO技術(shù)開發(fā)了一款通用I/O模塊，該產(chǎn) 品具備兩個特點，一是通過軟件來定義I/O的通道類型，I/O的所有通道在硬件上是完全一致的，不必為不同信號配置不同的I/O模塊，只需要通過軟件將通道設(shè)置為與現(xiàn)場儀表輸出相同的信號類型即可。另外通過軟件來切換備用通道，也就是N+1的通道冗余模式。當(dāng)I/O通道出現(xiàn)故障時，只需要在工程師站上進(jìn)行軟件切換，將故障的通道切換到備用通道即可，無需維護(hù)人員到達(dá)故障現(xiàn)場，節(jié)省了大量的備件設(shè)備及維護(hù)成本。

OCS技術(shù)采用無源（不需要電）光路分配器（簡稱RJU），將由電子間主控制器通訊接口引出的敷設(shè)到現(xiàn)場的兩路冗余光纜各分成16路尾纜，每對冗余尾纜掛接1個現(xiàn)場iDTU?，F(xiàn)場各類儀表信號通過電纜就近接入iDTU，通過iDTU實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。每對控制器可引出多對光纜，具有可靠性高、信號傳輸速度快、分散性好和可維護(hù)性高的特點。同時，iDTU作為一臺完整的防爆設(shè)備，進(jìn)行的是整體防爆認(rèn)證，具備在防爆1區(qū)域使用的能力。

抗干擾技術(shù)是OCS工業(yè)光總線最大的技術(shù)優(yōu)勢，危化行業(yè)各種復(fù)雜的環(huán)境下，各種大型電氣設(shè)備、機(jī)泵、變頻器往往會對傳統(tǒng)的儀表電纜中傳輸?shù)?-20mA電流造成較大的干擾，特別是直擊雷、感應(yīng)雷時常會給儀表信號造成極大的破壞，甚至通過電纜信號損壞DCS系統(tǒng)，導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故。于是儀表專業(yè)想方設(shè)法研究各種抗干擾措施，各種屏蔽接地、單點信號屏蔽，兩端防雷接地均成為儀表施工非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。稍有差錯，就給安全生產(chǎn)帶來較大的威脅。OCS工業(yè)光總線徹底杜絕了這一隱患，十幾臺現(xiàn)場儀表和IDTU在現(xiàn)場形成一個等電位電氣孤島，總線傳輸信號不受電磁場、直擊雷及感應(yīng)雷的干擾，信號更安全可靠。

6 OCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于工業(yè)光總線技術(shù)的OCS控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)DCS一樣，上層軟硬件沒有變化，主要由工程師站、操作員站、冗余歷史站、設(shè)備管理站、冗余控制站和工業(yè)光總線智能數(shù)據(jù)傳輸單元（iDTU）等設(shè)備組成，其中從iDTU到RJU及冗余控制站之間都采用光纖進(jìn)行通訊。

冗余控制站采用三重冗余鏈路，一對千兆以太網(wǎng)、一對RS-485鏈路和一組GPIO，保證了控制系統(tǒng)的冗余無擾、 功能安全、控制穩(wěn)定，冗余切換平均無故障時間方面相比其它系統(tǒng)的控制器可以提升22.2%。

RJU作為光網(wǎng)絡(luò)通訊節(jié)點，每個RJU可以星形連接16個iDTU，而且采用無源光學(xué)器件技術(shù)，無任何數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換，無延遲，采用純物理分光技術(shù)，使得可靠性和壽命得到極大的提高。

iDTU采用模塊化設(shè)計，主要由冗余的VIO模塊、冗余的光總線接口模塊以及冗余的電源模塊組成。VIO模塊支持AI（4-20mA輸入/24VDC、HART、2線制）、AO（4-20m輸出/24VDC、HART）、DI(干接點/24VDC/SOE/Namur)、DO（24VDC）、RTD（Pt100、Cu50，支持1-500電阻值電量程上傳）、TC（J、S、E、K分度，支持其它分度電量程上傳）、PI（0.1Hz-10KHz）七種信號類型。iDTU還支持Modbus通訊協(xié)議，可以作為Modbus從站將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至與第三方系統(tǒng)。

7 OCS就是工業(yè)光總線的應(yīng)用范圍

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)是傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)邁向數(shù)智化建設(shè)的一個飛躍，利用光總線替代傳統(tǒng)電纜，無論從施工建設(shè)、傳輸速度、信號穩(wěn)定性及可維護(hù)性均有較大的優(yōu)勢。光纜傳輸“一天一地”的冗余性配置大大的增加了信號傳輸?shù)目煽啃员Ｕ希_保任何時候一跟光纜意外斷裂時，另一跟光纜能有效的傳輸測量和控制信號，適用于各種行業(yè)的工業(yè)測量和控制，特別是在危險化學(xué)品企業(yè)，控制室距離生產(chǎn)裝置較遠(yuǎn)的情況下，OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)有非常大的應(yīng)用優(yōu)勢。OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)已經(jīng)在中石化天津南港120萬噸/年乙烯項目、山東瑞康精化8000噸/年FB2C熱敏紙張?zhí)砑禹椖?、東岳華夏神舟10000噸PVDF等幾百個項目中成功應(yīng)用，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

8 結(jié)束語

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)，是DCS系統(tǒng)巨大的技術(shù)變革，是現(xiàn)代電子技術(shù)和工業(yè)光通訊技術(shù)的成功結(jié)合而實現(xiàn)的精益化跨越，2019年底研制成功，至2023年9月份，被應(yīng)用在330個項目上，特別是在大型煤化工、百萬噸大乙烯、大型多晶硅等多個重要行業(yè)取得應(yīng)用，效果良好，為企業(yè)節(jié)省大量的資金。