1990年代控制系統(tǒng)廠商開發(fā)了現(xiàn)場總線技術(shù)，試圖替代傳統(tǒng)模擬技術(shù)，用總線電纜和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)信號代替銅線模擬信號?，F(xiàn)場總線技術(shù)有許多種，其中FF總線和PROFIBUS總線在流程工業(yè)應(yīng)用較多。現(xiàn)場總線技術(shù)與模擬傳輸技術(shù)相比有一定性能優(yōu)勢。
可是事實上流程工業(yè)多數(shù)業(yè)主和工程公司并不接受現(xiàn)場總線技術(shù)，而寧愿選擇4-20mA/開關(guān)信號為主的模擬信號技術(shù)?，F(xiàn)場總線技術(shù)一直沒有得到流程控制市場普遍接受，目前該技術(shù)還有萎縮的趨勢。流程工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)的前進(jìn)腳步并沒有因為現(xiàn)場總線技術(shù)受挫而停止。
現(xiàn)場通用IO技術(shù)設(shè)計思路
控制系統(tǒng)廠商開發(fā)了現(xiàn)場通用IO技術(shù)。
該技術(shù)的思路是：既然用戶仍然選擇4-20mA/開關(guān)信號為主的模擬信號，那就把位于IO系統(tǒng)柜里面的IO卡件和通信模塊搬到現(xiàn)場接線箱里，首先實現(xiàn)現(xiàn)場接線箱到機(jī)柜室的數(shù)字化傳輸。為了增強(qiáng)靈活性，現(xiàn)場通用IO技術(shù)把IO卡件設(shè)計成適應(yīng)大部分信號的通用IO卡件。
在現(xiàn)場儀表側(cè)，儀表仍然輸出模擬電流信號。儀表信號進(jìn)入接線箱內(nèi)的通用IO卡件。通用IO卡件將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過光纖或者網(wǎng)線，將數(shù)字信號送到控制室。
現(xiàn)場通用IO技術(shù)優(yōu)點
◆現(xiàn)場通用IO技術(shù)把IO卡件前移到現(xiàn)場，替代了傳統(tǒng)方案機(jī)柜室內(nèi)的接線柜、安全柵繼電器機(jī)柜和IO系統(tǒng)柜。
◆現(xiàn)場通用IO技術(shù)并沒有消滅安全柵繼電器和IO卡件，而只是將這些功能組件分散到了現(xiàn)場接線箱。該技術(shù)真正替代的是接線柜，所以最早開發(fā)此技術(shù)的艾默生公司給該技術(shù)取名叫電子布線技術(shù)?，F(xiàn)場通用IO技術(shù)使得機(jī)柜室面積大幅度減少。
◆現(xiàn)場通用IO技術(shù)方案用光纖替代了傳統(tǒng)的主電纜。
傳統(tǒng)主電纜是多對銅芯對絞電纜，平均每根電纜都有幾百米，是模擬信號傳輸方案材料和安裝成本的大頭?，F(xiàn)場通用IO技術(shù)用廉價大容量的光纖替代了銅芯主電纜，提高了信號傳輸效率，節(jié)省了大量的材料和安裝費用。初步測算，現(xiàn)場通用IO技術(shù)讓儀表控制系統(tǒng)設(shè)備材料總投資降低30%。
◆現(xiàn)場通用IO技術(shù)大大增強(qiáng)了工程設(shè)計、設(shè)備供貨和施工的靈活性。
由于通用IO卡件可以適應(yīng)各種現(xiàn)場儀表信號，工程師不必再費盡心思考慮各種現(xiàn)場信號如何分類匯總，而只要給現(xiàn)場儀表信號找一個接線箱即可?，F(xiàn)場通用IO接線箱無需定制，可以成為貨架商品，其供貨周期歸零。這個特性縮短了工程設(shè)計、設(shè)備供貨和安裝的周期，節(jié)省了大量工程建造成本。
◆現(xiàn)場通用IO技術(shù)有著很大性能優(yōu)勢，控制系統(tǒng)廠商陸續(xù)推出自己的技術(shù)解決方案。
不同廠商解決方案
1、艾默生公司CHARM技術(shù)方案
艾默生公司的創(chuàng)新能力在儀表控制系統(tǒng)領(lǐng)域一直有口皆碑。2011年左右，EMERSON公司首先提出來電子布線(也稱CHARM)技術(shù)方案。該方案的主要設(shè)備是位于現(xiàn)場的單通道特性模塊箱(以下簡稱CHARM箱)。CHARM箱中主要包括一對冗余CHARM IO卡件(CIOC)和96個(或者48個)CHARM單卡。每個CHARM單卡獨立安裝可插拔底板上，一個底板可容納12個單卡，每個CHARM最大可安裝8個底板。任一底座通道可以配置任何類型的CHARM單卡，因此總體看來任何信號都可以進(jìn)入CHARM箱，這樣就提供了極大的靈活性。
CHARM箱提供了冗余以太網(wǎng)口，通過網(wǎng)線或者光纖，將現(xiàn)場儀表信號接入交換機(jī)，從而實現(xiàn)CHARM IO卡件與控制器的通信。
CHARM技術(shù)具備云IO特性，一個CHARM箱中的任一CHARM IO信號可以分配到多達(dá)4對控制器，一對控制器可連接多達(dá)16個CHARM箱。這個技術(shù)方案實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表信號和控制器之間的靈活配置。
CHARM技術(shù)，尤其是分布式CHARM技術(shù)用以太網(wǎng)網(wǎng)線或者光纖取代了傳統(tǒng)的主電纜。CHARM技術(shù)為儀表現(xiàn)場接線提供了靈活性。
CHARM技術(shù)降低了設(shè)備和安裝成本，減少了工程設(shè)計和安裝工作量，是一個非常優(yōu)秀的創(chuàng)新方案。
截止到2018年底，全球已有超過162萬點的CHARM設(shè)備成功安裝運(yùn)行。煙臺萬華年產(chǎn)百萬噸乙烯綜合裝置DCS全部采用了現(xiàn)場CHARM技術(shù)方案，系統(tǒng)總?cè)萘砍^9萬點。該廠已于2020年11月份成功開車，控制系統(tǒng)運(yùn)行良好。
2、和利時自動化公司光纖總線智能IO技術(shù)方案
和利時自動化公司推出了光纖總線智能IO技術(shù)解決方案。該方案由現(xiàn)場智能IO接線箱和光纖網(wǎng)絡(luò)組成。
現(xiàn)場智能IO接線箱由16通道多功能IO模塊和光纖通信模塊組成。
16通道多功能IO模塊可以用同一套硬件接收處理各種IO類型的信號，并且為現(xiàn)場儀表供電。16通道多功能IO模塊采用了軟件定義的辦法處理不同的現(xiàn)場IO信號，同時在IO卡件前面增加了信號調(diào)理板預(yù)處理更多種類信號。
除了傳統(tǒng)模擬信號外，多功能IO模塊還可以接收包括PROFIBUS DP/PA， MODUBUS RTU等總線信號，從而提高了現(xiàn)場多功能IO模塊的適用性。
光纖網(wǎng)絡(luò)提供了高可靠性的冗余數(shù)字信號傳輸路徑。位于現(xiàn)場的光纖接線盒可以匯總最多32路光纖。從光纖接線盒出來的光纖進(jìn)入機(jī)柜室。在機(jī)柜室側(cè)，冗余光纖通過光電模塊接入控制器。
光纖總線智能IO技術(shù)解決方案具備現(xiàn)場通用IO的優(yōu)點，同時使用了光纖網(wǎng)絡(luò)，降低網(wǎng)絡(luò)硬件成本，提高了傳輸?shù)目煽啃?，是一種高性能解決方案。
目前已經(jīng)有多個裝置選用了光纖總線智能IO技術(shù)解決方案，設(shè)備運(yùn)行情況良好，業(yè)主反饋積極正面。
3、霍尼韋爾公司UPC/UIO技術(shù)方案
霍尼韋爾公司的技術(shù)方案叫做UPC(UNIVERSAL PROCESS CABINET). UPC是放置在現(xiàn)場的接線柜，其中包括最多6個32點通用IO卡件（簡稱UIO卡件）和冗余光纖通信模塊。UIO卡件與其他IO卡件一樣，通過冗余的io-link與控制器通信，與一般IO卡件不同的是UIO 的io-link的物理層使用了光纖。
UIO卡件并沒有可拆卸的單卡模件適應(yīng)各種信號，而是采取了軟件組態(tài)的辦法定義IO通道類型。這種方式同樣實現(xiàn)了通用IO信號的接入。
軟件組態(tài)定義IO通道類型的優(yōu)點是硬件完全一致，不必為不同信號準(zhǔn)備不同的模件。軟件定義IO類型方式增加了部分硬件復(fù)雜度，為了提高硬件適應(yīng)性，廠商專門為溫度信號設(shè)計了128LLAI溫度專用機(jī)柜。
正在設(shè)計中的中國南方某石化項目使用霍尼韋爾公司的UIO技術(shù)方案。
上面介紹了三家公司有代表性的現(xiàn)場通用IO技術(shù)方案。其他公司如日本橫河公司、ABB公司和浙江中控公司也已經(jīng)或者將要推出類似產(chǎn)品，這里就不贅述。感興趣的讀者可以到網(wǎng)上搜索。
現(xiàn)場通用IO技術(shù)將IO卡件帶到了工業(yè)現(xiàn)場，并且用光纖代替了銅主電纜，大大節(jié)省了工程建設(shè)成本。該技術(shù)提高了工程設(shè)計和安裝的靈活性，縮短了控制系統(tǒng)設(shè)計供貨安裝周期。在工廠運(yùn)行階段，該技術(shù)具有低維護(hù)量的特點。
現(xiàn)場通用IO技術(shù)為流程工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展開辟了一個新的方向，給工程建設(shè)公司和運(yùn)營單位帶來更大的價值。
作者：魏毅
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