OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)及其應(yīng)用

導(dǎo)讀：OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)將工業(yè)光總線技術(shù)和軟件定義I/O技術(shù)應(yīng)用于流程工業(yè)控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入/輸出和傳輸環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新，可以顯著降低用戶的項(xiàng)目建設(shè)成本（CAPEX）和運(yùn)營成本（OPEX），簡化自動(dòng)化系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，同時(shí)大幅縮短項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)間。1

引言

眾所周知，自動(dòng)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(shè)計(jì)、施工、調(diào)試和投運(yùn)都是重點(diǎn)關(guān)注的部分，自動(dòng)化系統(tǒng)的整體架構(gòu)以及現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的有效傳輸都是工程設(shè)計(jì)的重中之重。在自動(dòng)化系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(jìn)行連接，但是，由于技術(shù)的限制，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，這個(gè)看似簡單的連接過程，還需要有額外的工程設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)接線箱、電纜橋架、端子柜（對(duì)于本安設(shè)計(jì)的儀表系統(tǒng)還需要有安全柵柜）、I/O機(jī)柜等一系列中間環(huán)節(jié)才能完成。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)類型種類繁多，所以在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，還需要考慮配置相應(yīng)種類的I/O模塊，才能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)有效地接入到控制器。這種傳統(tǒng)的方式會(huì)大幅增加用戶的項(xiàng)目成本，影響項(xiàng)目的快速交付，同時(shí)增加控制系統(tǒng)備品備件的成本，項(xiàng)目建設(shè)過程中的設(shè)計(jì)變更以及投運(yùn)后的項(xiàng)目改造也會(huì)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(hào)的方式，存在信號(hào)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(chǎng)信號(hào)）、無法實(shí)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(shù)和軟件定義I/O技術(shù)，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(shù)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(gè)I/O通道的信號(hào)類型，從而適配于不同信號(hào)類型的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shè)計(jì)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制器之間的信號(hào)編排（Marshalling）環(huán)節(jié)，與之相對(duì)應(yīng)的端子柜和繁瑣的接線工作量也就不復(fù)存在了，可以降低項(xiàng)目成本并縮短施工周期。其次，工業(yè)光總線的應(yīng)用可以提高現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(chǎng)信號(hào)，提高傳輸效率。更為重要的是，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的冗余傳輸，光纖的敷設(shè)可以采用“一天一地”的方式，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(chǎng)設(shè)備到控制器之間的工程設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的工程交付，縮短項(xiàng)目建設(shè)周期，并大量節(jié)省項(xiàng)目投資和運(yùn)行過程中的維護(hù)成本?？梢怨?jié)省自動(dòng)化系統(tǒng)的總成本30%以上，減少機(jī)柜間面積70%以上，縮短項(xiàng)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(xiàng)目建設(shè)過程中的施工量和控制系統(tǒng)的維護(hù)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(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，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1OCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(bào)表的組態(tài)、過程參數(shù)的配置、操作員站、現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(bào)表打印、控制操作、歷史趨勢(shì)顯示、日志和報(bào)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(chǔ)與歸檔服務(wù)，以及與工廠管理網(wǎng)絡(luò)信息交換等。（4）設(shè)備管理站用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的管理以及遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程調(diào)試等，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。（5）冗余控制站（K系列）用于完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集、控制和聯(lián)鎖保護(hù)，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)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(chǎng)設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入/輸出與轉(zhuǎn)換、工程單位變換、模塊和通道級(jí)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(xiàng)目的應(yīng)用需求，可以適用于DCS和SCADA的應(yīng)用場(chǎng)合，其主要性能指標(biāo)如圖2所示。圖2OCS系統(tǒng)性能指標(biāo)3

K系列冗余控制站

控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用必須有冗余機(jī)制。目前業(yè)界普遍采用備份冗余的工作模式，一臺(tái)控制器工作時(shí)、另外一臺(tái)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(wù)?？刂破魅哂嗲袚Q要做到完全無擾，最關(guān)鍵就在于控制器的冗余切換，作為運(yùn)行IEC邏輯指令的控制器來說，必須保證主從控制器運(yùn)算指令（程序）、運(yùn)算數(shù)據(jù)、運(yùn)算節(jié)拍一致，才能保證運(yùn)算的結(jié)果一致，從而在控制器冗余切換過程中實(shí)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(duì)千兆以太網(wǎng)、一對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)間：MTBF冗余2=MTBF×(1+1/2+1/3)OCS控制器冗余機(jī)制相對(duì)于普通控制器冗余機(jī)制在冗余切換功能平均無故障時(shí)間方面的提升=（MTBF冗余2-MTBF冗余1）/MTBF冗余1=22.2%。注：假設(shè)冗余以太網(wǎng)、GPIO和485鏈路故障率相同，其平均無故障時(shí)間為MTBF。K系列控制器在設(shè)計(jì)中還融入了可信計(jì)算技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)被動(dòng)的信息安全防御機(jī)制，K系列控制器建立了基于內(nèi)生安全的主動(dòng)免疫機(jī)制。在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，構(gòu)建了雙體系架構(gòu)的可信鏈傳遞模型，確保可信啟動(dòng)，在運(yùn)行過程中，建立動(dòng)態(tài)度量模型，確保控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境安全可信，K系列控制器采用的嵌入式可信計(jì)算雙體系架構(gòu)如圖4所示。圖4嵌入式可信計(jì)算雙體系架構(gòu)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(cè)量、控制和自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)信息安全》標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了三項(xiàng)信息安全防御策略如圖5所示。圖5三項(xiàng)防護(hù)策略4

Onet冗余工業(yè)光總線

Onet冗余工業(yè)光總線用于實(shí)現(xiàn)控制站與iDTU之間的通訊，符合IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)、JB/T10308.3-2001國標(biāo)和EN50170歐標(biāo)的要求。Onet支持星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持128個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，通訊速率24Mbps，傳輸介質(zhì)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(luò)模型與標(biāo)準(zhǔn)ISO網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)應(yīng)關(guān)系控制站與iDTU通過工業(yè)光總線連接模塊（JCN）進(jìn)行連接，每個(gè)JCN提供1個(gè)上行端口（用于連接控制器）和16/32個(gè)下行端口（用于連接iDTU），每個(gè)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(shí)復(fù)用技術(shù)完成控制站與iDTU之間的通訊。在通信時(shí)，T1時(shí)間內(nèi)控制器與1號(hào)iDTU進(jìn)行通訊，T2時(shí)間內(nèi)控制器與2號(hào)iDTU進(jìn)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(shù)解決了控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊瓶頸問題，可將iDTU分散式安裝在現(xiàn)場(chǎng)工作，盡可能將iDTU放置于現(xiàn)場(chǎng)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(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(yùn)算后完成相應(yīng)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(chǎng)設(shè)備（儀表、控制閥等），并通過Onet工業(yè)光總線與控制站進(jìn)行通訊。iDTU采用模塊化設(shè)計(jì)，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(chǎng)信號(hào)的輸入/輸出，冗余的光總線接口模塊用于iDTU與JCN進(jìn)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(zhuǎn)換為冗余穩(wěn)定的24VDC控制電源。對(duì)于本安設(shè)計(jì)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(jìn)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(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)輸入/輸出功能，支持冗余配置。每個(gè)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(gè)通道支持的I/O信號(hào)類型可以通過工程師站靈活設(shè)置，VIO模塊支持的信號(hào)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(diǎn)/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(chǎng)設(shè)備應(yīng)用中的計(jì)劃性維護(hù)，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(gè)采集通道上增加一個(gè)備用的采集通道，當(dāng)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(duì)成本敏感的項(xiàng)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(chǎng)，使用中設(shè)備故障可能無法立即維修，此種情況下成本敏感項(xiàng)目可以采用N+1的冗余形式，既保證系統(tǒng)的可維護(hù)性又保證成本上升不明顯。對(duì)于要求高可靠性應(yīng)用的場(chǎng)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(gè)方面，一是通過軟件來定義VIO模塊每個(gè)通道的輸入/輸出信號(hào)類型，使之與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（儀表或控制閥等）的信號(hào)類型保持一致。系統(tǒng)通過獲取軟件的設(shè)置信息來處理每個(gè)I/O通道的數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯運(yùn)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(jìn)行使用，這樣就解決了偏遠(yuǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員無法抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)處理通道故障的問題，全過程只需要在工程師站上進(jìn)行軟件切換即可，省時(shí)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(hào)類型如圖9所示。圖9軟件定義I/O通道輸入/輸出信號(hào)類型5.4環(huán)境適應(yīng)性iDTU工業(yè)光總線智能數(shù)據(jù)傳輸單元專門針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣苛刻的環(huán)境進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì)。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(cè)功能，支持狀態(tài)預(yù)診斷。為了保證整個(gè)單元在現(xiàn)場(chǎng)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，iDTU整體還通過以下系統(tǒng)認(rèn)證：EMC3A級(jí)、IECATEX/GB無火花增安防爆、IP66防護(hù)等級(jí)，氣密性NR設(shè)計(jì)、G3防腐等級(jí)、CCC、CE等國際國內(nèi)體系認(rèn)證。6

最佳項(xiàng)目實(shí)踐

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的工程設(shè)計(jì)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(chǎng)盡量靠近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（儀表、控制閥）的位置，就近實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入/輸出，iDTU同時(shí)也支持基于PROFIBUS和Modbus通訊的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接。iDTU通過冗余光纖將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸?shù)饺哂喙饪偩€連接單元（RJU），一臺(tái)RJU支持以星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式連接16/32臺(tái)iDTU，RJU支持0區(qū)的防爆要求，也可以安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)盡量靠近iDTU的位置，RJU通過冗余光纖（可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，采用“一天一地”的敷設(shè)方式）將來自iDTU的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸?shù)街醒肟刂剖业臋C(jī)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(chǎng)應(yīng)用OCS可以極大簡化自動(dòng)化系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)在輸入/輸出和傳輸環(huán)節(jié)的工程設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備至控制器之間需要考慮多個(gè)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(shè)計(jì)中的現(xiàn)場(chǎng)接線箱，其工程設(shè)計(jì)會(huì)簡化很多，如圖11所示。圖11OCS工業(yè)光總線系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)由此可見，OCS徹底消除了傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中的“信號(hào)編排（Marshalling）”環(huán)節(jié)，所以機(jī)柜間機(jī)柜的數(shù)量可以大幅減少?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)從現(xiàn)場(chǎng)到中控室機(jī)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(chǎng)信號(hào)），信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)的成本也會(huì)大幅減少，而且OCS還能提供高可用性的冗余傳輸方式。在項(xiàng)目的工程實(shí)施階段，OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)由于能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，工程項(xiàng)目的實(shí)施周期可以大大縮短，傳統(tǒng)項(xiàng)目需要硬件設(shè)計(jì)、機(jī)柜設(shè)計(jì)、機(jī)柜成套、FAT等幾個(gè)步驟，一般需要1~6個(gè)月的周期，采用OCS后所有數(shù)據(jù)傳輸單元都是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品且通道可以任意組態(tài)，因此只要有測(cè)點(diǎn)數(shù)量就可直接到現(xiàn)場(chǎng)安裝，項(xiàng)目建設(shè)周期節(jié)約1~6個(gè)月。如圖12所示。圖12OCS系統(tǒng)縮短項(xiàng)目周期對(duì)于項(xiàng)目建設(shè)過程中的設(shè)計(jì)變更或者后續(xù)的改造擴(kuò)容，OCS也顯示出了良好的適應(yīng)性，新增的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(tái)新的iDTU來接入新增的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。即便是原有測(cè)點(diǎn)的信號(hào)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(kuò)容改造，OCS顯然可以大幅減少工作量。7

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

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