远程I/O系统在碳纤维聚合区域的应用
摘 要：本文主要介绍了图尔克本安远程I/O系统-EXCOM在碳纤
维防爆聚合区域的应用方案，EXCOM系统通过与横河DCS系统CENTUM-VP借助PROFIBUS-DP通讯的完美结合，使常规检测仪表的数据传输更为便捷，工期缩短，更为以后项目改造提高了极大的灵活性。
关键词：本安;远程I/O;PROFIBUS-DP
1.应用背景
碳纤维聚合区域属防爆2区，单台显示不参与控制的仪表居多，选用的仪表控制方案需满足防爆区域的要求。
1.1控制方案选用
常规控制方案则需配置 DCS 系统的输入输出卡件，安全栅，现场接线箱和数量惊人的电缆。 如下图所示：
控制室 安全区
现场 危险区 现场接线箱
这种传统本质安全控制方案通过配置安全栅在设备间一对一并行连接，点到点传播模拟信号，虽可以满足防爆区域的要求，但是对日新月异的工业控制自动化发展来说过于冗杂。现在总线形式的应用方案正在飞速发展，如现场总线系
现场仪表 安全栅 DCS I/O卡件 统，一对导线上可以挂接多个温度，压力，流量等。总线就是现场设备的传输介质，是数据传输的公共通道。典型的如FF(基金会现场总线)总线。但是FF总线的使用存在局限性需要配置适用的FF仪表，应用成本较高。若以RROFIBUS-DP总线为通讯协议本安远程I/O系统正好介于这两者之间，不用更换成现场总线仪表，又可以省去大量电缆，十分适用于碳纤维项目中的聚合区域。远程I/O的基本系统结构是现场仪表以接线方式到远程I/O柜，各个远程I/O柜之间用总线的方式相连，再以总线方式接入至DCS系统的总线网卡。
1.2远程I/O系统结构图
如图所示：
图中EXCOM 1-n为现场远程I/O柜，I/O柜内的数据通过网关传送至上层PROFIBUS-DP网络，经光纤耦合器用光纤将数据传送至安全区。本次应用中共设LIOP1111，LIOP1101，LIOP1121，LIOP1122，LIOP1131，LIOP1141六个远程I/O
柜，光纤耦合器安装于LIOP1111中，各个I/O柜之间采用冗余双绞线相连，并在最后一个柜挂上终端电阻。
1.3远程I/O可靠性分析
远程I/O可选用模拟量输入（支持二线制和四线制仪表）/输出，数字量输入/输出等常规信号，可以按要求配置卡件，但是不支持卡件冗余。一般来说：在控制回路方面我们选用模拟量输入卡件冗余，输出卡件冗余这样的方式配置。显然远程I/O模块对于这类控制回路来说它是不适用的。但是就一般温度显示来说通过采用网关冗余，光纤冗余，通讯卡件冗余的方式可以将故障率降到最低，反观传统控制回路配置的安全栅，输入卡件也并不冗余。由此可见如果就显示回路而言，采用远程I/O的方案系统的可靠性其实并没有降低。
2.硬件选用：
碳纤维聚合区域属于防爆2区（ZONE2）级别。EXCOM远程I/O系统支持本质安全，可以用在防爆1区和2区，远程I/O机柜采用IP65的防护等级，达到防水，防尘，防腐的要求。
在聚合区域中工艺测量点数很多，除常规控制回路，重要工艺检测点仍选用DCS冗余卡件外，其余如气体报警仪，单点测量显示，一般阀门位置反馈信号都进远程I/O系统。这样的一个配置，既不影响工艺控制，又节约了大量的电缆和桥架。
2.1远程I/O配置
EXCOM远程I/O系统由供电单元，网关，I/O模块以及容纳所有元件的模块支架构成。母板集成至模块支架备板用于供电，数据传送及用于现场设备的连接。
EXCOM本安远程I/O系统的模块结构如下图所示。
2.2电源模块
PSD24EX 连接直流18-32V的外部供电电源，具有PTB 00 ATEX 2193认证，防爆级别II 2 G EEx [ib] e IIC T4。通过冗余配置保证供电可靠。具有报警提示功能。
2.3输入输出模块
I /O模块提供各种类型的输入、输出过程信号，包括4~20mA、mV、频率、电阻、温度（热电阻、热电偶）、数字信号。I/O模块，包括数字量的输入和输出模块、模拟量的输入和输出模块（支持HART协议信号的传输）、温度（热电阻或热电偶）输入信号处理模块三大类共8种。模拟量输入、模拟量输出、数字量输出卡件为四通道，数字量输入八通道。I/O模块支持热插拔，具有即插端子与现场电缆相连。
2.4总线导轨
总线导轨是内部总线和为I/O模块供电：CPU和电源模块、I/O模块都安装在总线导轨上，是它们信息交换的桥梁，I/O模块不需要设定地址。
MT18母板其左侧上方留有安装两个电源模块和两个网关模块的接口，在接口的下方，分别对应着用来连接外部供电电源的采用增安保护形式的接口、用来设定总线地址的三个十进制旋钮、用来连接外部高层现场总线的总线接口。
在母板上方，网关接口的右侧是各种I/O模块的连接接口，母板内部通过冗余的内总线将这些接口连接起来。各I/O模块的电源供应是通过母板内的供电系统来完成的。在各个I/O模块接口的下方，对应着用来连接现场设备的I/O设备接口。来自现场设备的信号线可通过可插拔的接线端子与之进行简单的连接。
2.5网关
GDP1.5 具有PTB 00 ATEX 2162认证，防爆级别II 2 G SYST EEx ib IIC T4。网关作为EXCOM系统内部数据总线的主站将数据传送至上层PROFIBUS-DP网络。控制 I/O模块和过程控制系统的全部数据交换。Profibus DP主站至excom从站，采用DP-Exi段耦合与RS485-IS层冗余配置。冗余网关可以确保数据传输的高可靠性，当一个网关发生错误故障报警时会自动切换到另一个网关运行，保证数据传输的可靠性。网关对于128个数字量数据的循坏时间为＜5ms,对于64个模拟量的循坏时间为＜20ms.网关最大的数据传输速率为1500Kbps。
2.6光纤耦合器
光纤耦合器OC11Ex/2G将来自电缆的PROFIBUS DP电信号转换为光信号，用于光纤传送。即使是长距离传输，光纤耦合器也能够确保总线信号从安全区到危险区安全的传输。位于危险1，2区的光纤耦合器OC11Ex/2G接收来自光纤接口的光信号，并且将位于本安系统的RS485-IS输出信号转换到图尔克应用于安全区的OC11Ex/3G光纤耦合器。光纤耦合器之间最大2.5km。每个网段可最多可连接31台总线设备。光纤耦合器波特率可通过旋钮开关进行设定或自动检测，波特率范围从9.6 kbps到1.5Mbps。
2.7模块使用图
序号 1 2 3 4 模块 防爆电源 母板 网关 规格型号 PSD24EX MT18-R024 GDP1.5 说明 冗余 18槽 冗余 4通道 模拟量信号输入模块 AIH40EX 、AIH41EX