OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)及其應用

導讀：OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)將工業(yè)光總線技術和軟件定義I/O技術應用于流程工業(yè)控制領域，實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場信號輸入/輸出和傳輸環(huán)節(jié)的技術創(chuàng)新，可以顯著降低用戶的項目建設成本（CAPEX）和運營成本（OPEX），簡化自動化系統(tǒng)的工程設計，同時大幅縮短項目的建設時間。1

引言

眾所周知，自動化系統(tǒng)在流程行業(yè)被稱為工業(yè)大腦，因此系統(tǒng)的設計、施工、調試和投運都是重點關注的部分，自動化系統(tǒng)的整體架構以及現(xiàn)場信號的有效傳輸都是工程設計的重中之重。在自動化系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計中，現(xiàn)場設備（如儀表、控制閥等）是通過銅制的儀表電纜和控制系統(tǒng)進行連接，但是，由于技術的限制，在實際的工程應用中，這個看似簡單的連接過程，還需要有額外的工程設計才能實現(xiàn)，現(xiàn)場設備的信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)需要經(jīng)過現(xiàn)場接線箱、電纜橋架、端子柜（對于本安設計的儀表系統(tǒng)還需要有安全柵柜）、I/O機柜等一系列中間環(huán)節(jié)才能完成。由于現(xiàn)場設備的信號類型種類繁多，所以在控制系統(tǒng)的設計中，還需要考慮配置相應種類的I/O模塊，才能實現(xiàn)現(xiàn)場信號有效地接入到控制器。這種傳統(tǒng)的方式會大幅增加用戶的項目成本，影響項目的快速交付，同時增加控制系統(tǒng)備品備件的成本，項目建設過程中的設計變更以及投運后的項目改造也會變得很麻煩。另一方面，長期沿用的基于銅制儀表電纜傳輸弱電模擬信號的方式，存在信號容易受到干擾、傳輸效率低（一根儀表電纜只能傳輸一路現(xiàn)場信號）、無法實現(xiàn)冗余等諸多不利因素。OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)融合了工業(yè)光總線技術和軟件定義I/O技術，可以從根本上解決上文所說的所有問題。首先軟件定義I/O技術的使用，可以僅用一種I/O模塊，通過軟件定義的方式來改變每個I/O通道的信號類型，從而適配于不同信號類型的現(xiàn)場設備（儀表或控制閥），這意味著可以從根本上消除傳統(tǒng)工程設計中的現(xiàn)場設備和控制器之間的信號編排（Marshalling）環(huán)節(jié)，與之相對應的端子柜和繁瑣的接線工作量也就不復存在了，可以降低項目成本并縮短施工周期。其次，工業(yè)光總線的應用可以提高現(xiàn)場信號在傳輸過程中的抗電磁干擾的能力和防雷擊的能力，而且一根光纖可以傳輸至少512路現(xiàn)場信號，提高傳輸效率。更為重要的是，可以實現(xiàn)現(xiàn)場信號的冗余傳輸，光纖的敷設可以采用“一天一地”的方式，以進一步實現(xiàn)信號傳輸環(huán)節(jié)的高可用性，而且還可以大幅減少電纜橋架的數(shù)量和繁重的施工量?？傮w而言，OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)可以徹底簡化從現(xiàn)場設備到控制器之間的工程設計，可以實現(xiàn)標準化的工程交付，縮短項目建設周期，并大量節(jié)省項目投資和運行過程中的維護成本?？梢怨?jié)省自動化系統(tǒng)的總成本30%以上，減少機柜間面積70%以上，縮短項目周期50%以上，節(jié)省I/O模塊備品備件30%以上，并大幅降低項目建設過程中的施工量和控制系統(tǒng)的維護成本。2

OCS系統(tǒng)說明

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)主要由工程師站、操作員站、冗余歷史站、設備管理站、冗余控制站和工業(yè)光總線智能數(shù)據(jù)傳輸單元（iDTU）等設備組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。圖1OCS系統(tǒng)結構圖（1）工程師站用于完成系統(tǒng)組態(tài)、修改及下裝，包括數(shù)據(jù)庫、圖形、控制算法、報表的組態(tài)、過程參數(shù)的配置、操作員站、現(xiàn)場控制站及iDTU的配置組態(tài)、數(shù)據(jù)下裝和增量下裝等。

（2）操作員站用于進行生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)視和控制，包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中管理和監(jiān)視、工藝流程圖顯示、報表打印、控制操作、歷史趨勢顯示、日志和報警的記錄和管理等。（3）冗余歷史站用于完成系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的采集、存儲與歸檔服務，以及與工廠管理網(wǎng)絡信息交換等。（4）設備管理站用于對現(xiàn)場智能儀表的管理以及遠程診斷、遠程調試等，實現(xiàn)預測性維護。（5）冗余控制站（K系列）用于完成現(xiàn)場信號采集、控制和聯(lián)鎖保護，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)和診斷結果上傳到操作員站等功能。（6）工業(yè)光總線智能數(shù)據(jù)傳輸單元（iDTU）iDTU用于與現(xiàn)場設備連接，實現(xiàn)信號輸入/輸出與轉換、工程單位變換、模塊和通道級故障診斷，通過冗余的工業(yè)光總線與冗余控制站通訊。OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)主要面向流程行業(yè)中超大型項目的應用需求，可以適用于DCS和SCADA的應用場合，其主要性能指標如圖2所示。圖2OCS系統(tǒng)性能指標3

K系列冗余控制站

控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，在現(xiàn)場應用必須有冗余機制。目前業(yè)界普遍采用備份冗余的工作模式，一臺控制器工作時、另外一臺控制器熱備工作。一旦工作控制器出現(xiàn)故障，熱備控制器需要馬上完成冗余切換，接管控制任務?？刂破魅哂嗲袚Q要做到完全無擾，最關鍵就在于控制器的冗余切換，作為運行IEC邏輯指令的控制器來說，必須保證主從控制器運算指令（程序）、運算數(shù)據(jù)、運算節(jié)拍一致，才能保證運算的結果一致，從而在控制器冗余切換過程中實現(xiàn)完全無擾。OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)的控制器采用三重冗余鏈路，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?？刂破魅哂嗤ㄓ嶆溌啡鐖D3所示。圖3OCS控制器冗余通信鏈路示意圖OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)的控制器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%，分析如下：其它系統(tǒng)控制器冗余切換功能的平均無故障時間：MTBF冗余1=MTBF×(1+1/2)

OCS控制器冗余切換功能的平均無故障時間：MTBF冗余2=MTBF×(1+1/2+1/3)OCS控制器冗余機制相對于普通控制器冗余機制在冗余切換功能平均無故障時間方面的提升=（MTBF冗余2-MTBF冗余1）/MTBF冗余1=22.2%。注：假設冗余以太網(wǎng)、GPIO和485鏈路故障率相同，其平均無故障時間為MTBF。K系列控制器在設計中還融入了可信計算技術，區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)被動的信息安全防御機制，K系列控制器建立了基于內生安全的主動免疫機制。在系統(tǒng)啟動階段，構建了雙體系架構的可信鏈傳遞模型，確?？尚艈樱谶\行過程中，建立動態(tài)度量模型，確?？刂葡到y(tǒng)運行環(huán)境安全可信，K系列控制器采用的嵌入式可信計算雙體系架構如圖4所示。圖4嵌入式可信計算雙體系架構K系列控制器采用主流廣泛使用的高性能主處理器及基于國密算法的協(xié)處理器，產(chǎn)品遵循《IEC62443-3工業(yè)過程測量、控制和自動化網(wǎng)絡與系統(tǒng)信息安全》標準，構建了三項信息安全防御策略如圖5所示。圖5三項防護策略4

Onet冗余工業(yè)光總線

Onet冗余工業(yè)光總線用于實現(xiàn)控制站與iDTU之間的通訊，符合IEC61158國際標準、JB/T10308.3-2001國標和EN50170歐標的要求。Onet支持星形網(wǎng)絡拓撲結構，支持128個節(jié)點設備，通訊速率24Mbps，傳輸介質為單模光纖，傳輸距離20km（無中繼）。Onet冗余工業(yè)光總線符合ISO7層協(xié)議中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范。如圖6所示。圖6Onet工業(yè)光總線網(wǎng)絡模型與標準ISO網(wǎng)絡模型對應關系控制站與iDTU通過工業(yè)光總線連接模塊（JCN）進行連接，每個JCN提供1個上行端口（用于連接控制器）和16/32個下行端口（用于連接iDTU），每個光纖端口采用ST卡接式圓形接口，以保證牢固穩(wěn)定的連接。JCN可以安裝在0區(qū)爆炸環(huán)境。Onet采用分時復用技術完成控制站與iDTU之間的通訊。在通信時，T1時間內控制器與1號iDTU進行通訊，T2時間內控制器與2號iDTU進行通訊，依此順序完成全部通訊，通訊示意圖如圖7所示。圖7Onet通訊示意圖Onet工業(yè)光總線技術解決了控制器與現(xiàn)場設備的通訊瓶頸問題，可將iDTU分散式安裝在現(xiàn)場工作，盡可能將iDTU放置于現(xiàn)場儀表周圍，使用JCN完成控制器與iDTU之間的連接，如此既可以減少電纜的長度和用量，也可以減少電纜傳輸中的干擾與衰減。JCN采用無源光學器件技術，物理壽命可達無限大。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的控制。5工業(yè)光總線智能數(shù)據(jù)傳輸單元（iDTU）iDTU用于連接現(xiàn)場設備（儀表、控制閥等），并通過Onet工業(yè)光總線與控制站進行通訊。iDTU采用模塊化設計，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。冗余的VIO模塊用于現(xiàn)場信號的輸入/輸出，冗余的光總線接口模塊用于iDTU與JCN進行光纖連接，冗余的電源模塊用于將外部提供的兩路220VAC冗余供電轉換為冗余穩(wěn)定的24VDC控制電源。對于本安設計的儀表系統(tǒng)而言，安全柵可以直接插在VIO模塊的底板上，而無需進行額外的接線。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)。5.1VIO模塊VIO模塊用于完成對現(xiàn)場設備的信號輸入/輸出功能，支持冗余配置。每個模塊支持16路輸入/輸出通道，具備通道間隔離功能，220VAC串入僅影響1通道。每個通道支持的I/O信號類型可以通過工程師站靈活設置，VIO模塊支持的信號類型包括：·

AI（4~20mA輸入/24VDC、HART、2線制/4線制）·

AO（4~20mA輸出/24VDC、HART）·

DI（干接點/24VDC/SOE）·DI（Namur）·

DO（24VDC）

·

PI（0.1Hz~10kHz）

5.2VIO模塊的冗余模式為了保證現(xiàn)場設備應用中的計劃性維護，OCS系統(tǒng)中的VIO模塊支持主備冗余和N+1冗余兩種冗余形式，N+1冗余是指在原有N個采集通道上增加一個備用的采集通道，當模塊中的任意通道故障后備用通道可以替換已故障的通道。在對成本敏感的項目中通常采用非冗余配置，OCS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸單元放置于現(xiàn)場，使用中設備故障可能無法立即維修，此種情況下成本敏感項目可以采用N+1的冗余形式，既保證系統(tǒng)的可維護性又保證成本上升不明顯。對于要求高可靠性應用的場景可以采用主備冗余配置，來提高控制的可靠性和可用性。iDTU中的VIO模塊的冗余模式如圖8所示。圖8iDTU中的VIO模塊的冗余模式5.3軟件定義I/O功能OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)更注重軟件定義硬件，這主要體現(xiàn)在兩個方面，一是通過軟件來定義VIO模塊每個通道的輸入/輸出信號類型，使之與現(xiàn)場設備（儀表或控制閥等）的信號類型保持一致。系統(tǒng)通過獲取軟件的設置信息來處理每個I/O通道的數(shù)據(jù)并進行邏輯運算。此種方式打破了傳統(tǒng)的由硬件決定軟件的模式。另外一種是通過軟件來切換備用通道，也就是N+1的通道冗余模式。將故障的通道切換為備用通道進行使用，這樣就解決了偏遠現(xiàn)場人員無法抵達現(xiàn)場及時處理通道故障的問題，全過程只需要在工程師站上進行軟件切換即可，省時省力并且能夠快捷地處理通道故障。軟件定義I/O通道輸入/輸出信號類型如圖9所示。圖9軟件定義I/O通道輸入/輸出信號類型5.4環(huán)境適應性iDTU工業(yè)光總線智能數(shù)據(jù)傳輸單元專門針對工業(yè)現(xiàn)場惡劣苛刻的環(huán)境進行了適應性設計。iDTU支持-40~+85℃寬溫工作溫度、-25~+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)預診斷。為了保證整個單元在現(xiàn)場安全、穩(wěn)定、高效地運行，iDTU整體還通過以下系統(tǒng)認證：EMC3A級、IECATEX/GB無火花增安防爆、IP66防護等級，氣密性NR設計、G3防腐等級、CCC、CE等國際國內體系認證。6

最佳項目實踐

在實際現(xiàn)場應用的工程設計中，iDTU支持1類2區(qū)的防爆要求，可以安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場盡量靠近現(xiàn)場設備（儀表、控制閥）的位置，就近實現(xiàn)現(xiàn)場信號的輸入/輸出，iDTU同時也支持基于PROFIBUS和Modbus通訊的現(xiàn)場設備的連接。iDTU通過冗余光纖將現(xiàn)場信號傳輸?shù)饺哂喙饪偩€連接單元（RJU），一臺RJU支持以星型網(wǎng)絡結構的方式連接16/32臺iDTU，RJU支持0區(qū)的防爆要求，也可以安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場盡量靠近iDTU的位置，RJU通過冗余光纖（可以根據(jù)現(xiàn)場要求，采用“一天一地”的敷設方式）將來自iDTU的現(xiàn)場信號傳輸?shù)街醒肟刂剖业臋C柜間，通過冗余光總線接口模塊與冗余控制站連接，如圖10所示。圖10OCS的現(xiàn)場應用OCS可以極大簡化自動化系統(tǒng)中現(xiàn)場信號在輸入/輸出和傳輸環(huán)節(jié)的工程設計。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的工程設計中，在現(xiàn)場設備至控制器之間需要考慮多個環(huán)節(jié)，而采用OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)，可以直接用iDTU取代傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的工程設計中的現(xiàn)場接線箱，其工程設計會簡化很多，如圖11所示。圖11OCS工業(yè)光總線系統(tǒng)的工程設計由此可見，OCS徹底消除了傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)工程設計中的“信號編排（Marshalling）”環(huán)節(jié)，所以機柜間機柜的數(shù)量可以大幅減少?，F(xiàn)場信號從現(xiàn)場到中控室機柜間通過光纜傳輸，由于光纜的傳輸效率更高（一根光纜可以傳輸512路現(xiàn)場信號），信號傳輸環(huán)節(jié)的成本也會大幅減少，而且OCS還能提供高可用性的冗余傳輸方式。在項目的工程實施階段，OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)由于能夠實現(xiàn)標準化生產(chǎn)，工程項目的實施周期可以大大縮短，傳統(tǒng)項目需要硬件設計、機柜設計、機柜成套、FAT等幾個步驟，一般需要1~6個月的周期，采用OCS后所有數(shù)據(jù)傳輸單元都是標準化產(chǎn)品且通道可以任意組態(tài)，因此只要有測點數(shù)量就可直接到現(xiàn)場安裝，項目建設周期節(jié)約1~6個月。如圖12所示。圖12OCS系統(tǒng)縮短項目周期對于項目建設過程中的設計變更或者后續(xù)的改造擴容，OCS也顯示出了良好的適應性，新增的現(xiàn)場設備只需要在就近的iDTU中尋找空余的I/O通道即可，或者安裝一臺新的iDTU來接入新增的現(xiàn)場信號。即便是原有測點的信號類型發(fā)生了改變，也只需要在工程師站通過軟件更改即可，相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的擴容改造，OCS顯然可以大幅減少工作量。7

現(xiàn)場應用

山東某精細化工企業(yè)2021年根據(jù)安監(jiān)要求安全換證進行裝置改造，6月20日簽訂控制系