本安型远程I/O系统在反应器表面温度
在线监测中的应用
荣俊胜
(陕西时代能源化工有限公司)
摘要对本安型远程I/O系统及其产品的主要规格进行介绍，着重阐述以本安型远程I/O系统为核心构建的一套反应器表面温度在线监测系统，完整描述了其应用场景、系统结构、现场设备配置及DCS组态等具体过程，希望能对相关行业类似应用场景的自动化解决方案提供参考#
关键词本安型远程I/O现场总线通信DCS温度监测
中图分类号TH865文献标识码B文章编号1000-3932(2021)02-0134-05
远程I/O系统是一种具有通信功能、能够实 现数据实时采集和传输的工业自动化产品，这种系统通常由电源模块、通信网关、I/O模块及底板(或总线接口)等组成。远程I/O系统中没有控制器，因而它本身不具备回路控制和调节功能，仅在现场设备与自动化控制系统(如PLC、DCS及SCADA等)之间起到连接作用。它将现场测量数据实时传输到控制系统，同时实时接收控制系统输出的指令并传输到相应的现场设备。远程I/O
系统与自动化控制系统之间的连接通过基于现场总线技术的通信方式实现，不同制造商或品牌产品的通信方式不尽相同，工业场合常用的通信方式主要有PROFIBUS-DP、PROFINET、Modbus RTU、Modbus TCP、DeviceNet、CANopen及Ether-net/IP等[1]o
远程I/O系统具有成本低、易扩展、配置灵活及运行维护便捷等特点％例如，与自动化控制系统之间的连接只需要一根通信线缆，大量节省了计算机信号线缆或控制线缆，也减少了控制系统本身的I/O点数；现场设备信号类型变化时，只需更换相应类型的I/O模块即可％自20世纪以来，远程I/O系统已经被广泛应用于工业的各个领域，如工业自动化、轨道交通、仓储物流及能源电力等场合。1本安型远程I/O系统
本安型远程I/O系统的防爆型式为本质安全型，其防爆型式认证一般不应低于E d ib IICT4 Gb，同时能够连接具有本质安全型防爆级别的现场设备，适用于安装和运行在爆炸危险区域，如石油、石化及化工等行业的生产装置现场％世界上首先推出本安型远程I/O系统的是德国斯泰尔(R.STAHL)公司，其他拥有成熟技术和丰富应用业绩的主要是德国产品，如图尔克(TURCK)、倍加福(P+F)、博太科(BARTEC)，上述4家公司产品的主要规格见表1%
2应用情况介绍
2.1应用场景
在某应用新工艺技术的年产10万吨工业化试验装置中，合成反应器R001是最关键的设备％该反应器是固定流化床反应器，直径3m，反应温度330-360#，气相介质为CO、H2和微量固体混合物％在反应器内部，反应气体吹动催化剂呈流化状态进行气固两相反应，在反应区域设有冷管，通过冷管及时将大量反应热移出反应器，维持反应温度稳定，防止反应器飞温％反应器内部设有若干温度、压力、物位测点，用以测量其温度分布进而出反应器中的特定参数，所有测点数据进DCS并通过高选器进行温度调节％
作者简介：荣俊胜(1983-)，工程师，从事煤化工仪表自控、信息化系统技术管理工作，********************
表1 部分公司本安型远程I/O 系统产品的主要规格
注:H 指带HART 功能,TI 指温度输入°
部件
斯泰尔（R.STAHL ）
图尔克（TURCK ）
倍加福（P+F ）博太科（BARTEC ）
IS1系列IS1+系列excom 系列FB 系列LB 系列
Antares  系 列
底板
无独立底板，通过模块自身接口
互联，末端配终端模块
独立式底板，8/16通
道（1 区）；8/16/24 通
道（2区）
独 立 式 底 板 ， 10/
20/24/40/48 单宽
模块，10/20/40单 宽模块（冗余）
独立式底板,8/16/24
单宽模块，24单宽模 块（仅电源冗余），12/ 22 单宽模块 （ 电源+
总线冗余）
无独立底板， 通过模 块自身接口互联， 末
端配终端模块
电源模块
无独立电源模块24V （DC ）模块（可冗
余）、115V （AC ）/ 230V （AC ）转换模块
24V （DC ）模块（可冗余）无独立电 源模块
通信网关
PROFIBUS -DP  （可冗余）、 Modbus  RTU ， 集成电源模块 （带载8/16模 块）PROFINET 、
Modbus  TCP  （可 冗余）或Ether - net/IP ，集成电 源模块（带载8
模块）
PROFIBUS -DP  （ 可 冗
余）、以太网多协议
网关，配套用耦合器
PROFIBUS -DP/DP -V1、Modbus  RTU/
TCP ，支持冗余配置
PROFIBUS -DP  （ 可
冗余）、PROFINET 、
Modbus  TCP 、Eth -
ernet/IP  ， 集 成电 源
模块
I/O 模块
-8AI 、8AIH 、6/8AIH  （SIL2）
•8AOH •8AI/OH
•8TI （RTD/TC/ 电位计）
•16DI
•4DO 、8DO
-16DI/O
•支持I/O 模块冗余
•4AI 、4AIH •4AO 、4AOH  •4TI  （RTD/TC ）、2 x  频
率、4x 电位
•4DI •4DO
•8DI/DO （两两一组）-1/4AIH
-1/4AOH
•8AI/O （4 入 4 出）
-1/4TI -1/2/3/8DI
•FB ：2/8DO 、4/8DO （继电器）、1DO （2 入
1 出）
•LB ：4/8DO 、2DO （继电器）、1DO （2 入 1
出）
•8AI 、8AIH
•4AI/O 、4AI/OH •4/8TI
•8DI -N 、16DI -N •8DO
针对该反应器还设置了一套反应器表面温
度在线监测系统，该监测系统能够在DCS 中实时
显示数据并报警。温度测点在反应器外壁表面点 式布置，共234个，沿反应区域轴向布置13层#
每层18个，根据密相区#稀相区的不同，层间距 也有所不同。由于同一位置的外壁表面温度与其
内部温度基本接近，因此该系统的设置有利于更 加全面地监测反应器温度分布情况，有利于及时
发现因反应区域气体偏流或其他因素导致的局
部热点现象，通过DCS 报警来提醒工艺操作人员
采取处理措施以确保设备和人身安全。装置现场 反应器所处环境的爆炸危险区域划分为2区，防
爆等级分组为IICT4O
实现这234个温度测点在DCS 显示、报警等
功能的方法有多种，如直拉电缆连接、“分支+主
干”电缆连接、就地数据采集+通信连接等。结合 该系统输入信号类型单一、功能相对独立的特
点，综合考虑经济性、可靠性及功能完整性等因
素，最终选定以本安型远程I/O 系统为核心来构
建反应器表面温度在线监测系统。
2.2系统结构
反应器表面温度在线监测系统由测量、数据 采集与传输、显示与报警等环节组成" 在测量环
节，测温元件采用WRGKK 系列K 型热电偶，防
爆等级Exia  !CT6Ga ，热电偶前端插入反应器
表面焊接的固定件中，热电偶输出信号通过补偿 导线接到远程I/O 的温度模块。在数据采集与传
输环节，温度模块完成数据采集并将数据送往通
信网关，本安型远程I/O 系统采用德国图尔克
（TURCK ）excom 系列产品，与防爆微型断路器、防
爆直流电源等共同集成到防爆箱中。在显示与报数据，通过组态实现DCS界面显示和报警功能警环节,DCS接收本安型远程I/O系统传输来的系统结构如图1所示。
j|t E301〜372»1〔TE373〜462
!K型热电偶
一
蛊0
寸1
旦
一
XH0
寸
LL
一
PSM24-3G SITOP
PSM24-3G SITOP
GDPTS
GDP-IS
PROFIBUS-DP
220V(AC)TA
220V(AC)TB
自UPS来
-
蛊
寸1
旦
PSM24-3G
PSM24-3G
GDP-IS
GDP-IS
SITOP
SITOP
220V(AC)-2A
220V(AC)-2B
自UPS来二Z J
V
O
IIU
z
lrl m
i
Ilml
—M
S
V
—
M
S
=
§
101 PSM24-3G*—SITOP
PSM24-3G SITOP
|GDP-IS--------------
|GDP-IS--------------
220V(AC)-3A
220V(AC)-3B
自UPS来操作站
图尔克（TURCK）excom
远程I/O系统
DCS
DCS控制系统
=
寸/
JAI02
测量数据采集与传输显示与报警
图1反应器表面温度在线监测系统结构框图
注:SITOP指防爆型24V（DC）电源，E/O、O/E指PROFIBUS-DP光纤耦合器（现场侧型号OC11EX/2G,DCS侧型号OC11EX/3G），协议转换指主站网关转换器（将PROFIBUS-DP主站转换为Modbus RTU从站）。
将PROFIBUS-DP转换为Modbus RTU主要是为了进一步降低成本，这是因为,DCS中支持PROFIBUS-DP的通信模块、点数授权的费用明显高于Modbus RTU，后者一般只需考虑通信模块硬件费用即可。此外，不同制造商DCS产品的总线通信模块大多只能作为通信主站，故此协议转换设备选型要结合远程I/O系统通信网关和DCS 总线通信特性共同确定。本方案中协议转换设备采用某公司主站网关PBM-MCO-1.O，在PROFIBUS-DP侧作为主站（下接3个从站），在Modbus RTU侧作为从站,DCS中的Modbus通信模块（COM741）作为主站。
2.3现场设备配置
线路连接及拨码开关配置o TASO3、协议转换设备处的PROFIBUS-DP接头上的开关置“ON”位，其他置“OFF”位。协议转换设备处按5+/4-与DCS主站连接，拨码开关第1位置“OFF”（Modbus 通信））通过底板上的拨码设置TASO1"O3 PROFIBUS-DP从站地址，要确保每个从站的物理地址与软件配置中的地址一致，以保证通信畅通）
协议转换设备配置。采用制造商提供的软件PB-Confi，新建一个项目。将从站（excom设备）GSD 文件复制到该软件的GSD文件夹中，并执行“重读GSD+操作以识别设备。点击DP_Master!PBM-MCO-MB-1.O，软件自动添加PROFIBUS通信主站；双击主站图标，设置主站地址（O）、总线波特率（1P75OO）、通信模式（DP）等参数；点击DP_Slave!I/O!EXCOM，添加PROFIBUS通信从站；点击
EXCOM添加模块，槽1是通信网关GDP-IS，其他槽与现场对应的卡件型号为TI4OEX T（热电偶）；双击EXCOM设定从站地址（需与现场地址对应）；双击GDP，设置Redundancy Mode 为System Redundancy）完成DP热备冗余配置；双击TI4OEX T为卡件设定参数！设置CJC（冷端补偿）为PT1OO ON TERMINAL：2（对应在端子3、4加PT100电阻）。点击PBM-MCO-MB-1.0设置Modbus通信从站的波特率（9600）、停止位（1）和MOD地址（000）。完成上述配置后，即可编译下载。配置完成后，应注意将工程备份存档。需要注意的是,TI40Ex模块到DCS传输的是16位整数，其内码值0〜30000对应0〜3000K，实际测量值（#）［实型值/10-273.15。
2.4DCS组态
DCS组态软件VFExplorer中，点击工程名称！控制组态！控制域!FCU1，依次做以下配置
:
a. 硬件配置!COM741!冗余方式设置为一
对一冗余,COMO  （通道1）!输入数据长度设置为
512 $
b. 位号表中，新增“模入”信号256个，量程 和原始码设置为0〜65 535，数据类型设置为2字
节整数（有符号），并按次序与现场热电偶布置一
—对应$
ac reactor
C.用户功能块中，新建一个ST 类型的用户
功能块TI_R001，定义输入参数IN1〜IN18（对应
每层18个测量信号）、输出参数O4T1〜O4T18, 数据类型选择REAL ，初始值为0.00。同时，在代
码编辑区输入计算代码“O4TX ：；INX/10.0-
273.15”,X 为1〜18，每句代码之间用“;”隔开，以
此类推$
用户程序中，新建一个FBD 类型的用户程
序，输入名称、描述，在此调用用户功能块 TI.R001，每层调用一个，输入引脚逐一连接位号
表中对应的“模入”信号（如AI16020525.PV ），输
出引脚连接的数值即工程值（如TI_301.VAL -
UE ），至此完成了 DCS 对Modbus  RTU 通信信号 的数据采集。此外，采用高选功能块（ISEL8）组
态，计算出每层的最高温度值、最低温度值。
DCS 组态软件VFExploLeL 中，在工程名称!
监控组态!资源文件!弹出式流程图下，新建一
个弹出式界面，按反应器方位角展开绘制界面, 并依次连接相应的位号数据（如TI_301.VAL -
UE ），同时在反应器主工艺流程界面中增加一个 按钮对象并组态其动作为“弹出界面”并关联到
该弹出式界面。DCS 操作站实时显示界面如图2 所示$
图2反应器表面温度DCS 界面
3结束语
远程I/O 系统集成有主流现场总线和工业以
太网功能，具有组网灵活、I/O 配置灵活、节约电 缆的显著特点，本安型产品的出现使其应用场景
进一步扩展，适合爆炸0区、1区和2区安装应
用，尤其适用于测点数量多但信号类型单一、扩 建装置测点数量少但信号类型多样的应用场景$ 在当前工业互联网迎来大发展的时代背景下，作
为DCS 、PLC 控制系统的有效补充，本安型远程I/O
系统在促进石油、石化及化工等行业生产装置实
现高度 自 动 化 、 高 度 数 字 化 、 高 度 网 络 化 方 面 将
发挥更大的作用$
参考文献
[1]孙优贤.控制工程手册[M ].北京：化学工业出版社,
2015.
（收稿日期：2020-09-09，修回日期：2021-01-14）
Application  of  Intrinsically  Safety  Remote  I/O  System  in  the  Online
Monitoring  of  Reactor  Surface  Temperatures
RONG  Jun-sheng
(Shaanxi  Times  Energy  Chemical  Co., Ltd.)
(Continued  on  Page  200
)
图5 改造前BE -101传感器到控制系统接线示意图
4.2技术改造
针对以上分析主要对两个方面进行技术改
造：一是现场侧将VE -101振动速度传感器信号 改造成一体化带变送的4〜20.A 信号(VT -101),
现场取消了 VC -920振动控制器，仅利用现场的
接线端子板，现场不再对传感器供电；二是需要
DCS 侧给现场振动传感器提供24V (DC )配电，以
完成信号由现场传输到控制系统的工作。由于
VC -920振动控制器输出到DCS 的是有源信号 (无需系统再提供电源)，所以DCS 侧不需考虑配
电，应接无源节点。改经造VT -101传感器的接线
如图6所示。
现场侧 TUA711-AIO16 ""(DC)+|
AI7i 3
严(DC)-电源
现场接线 端子板
图6 改造后VT -101传感器到控制系统接线示意图
5结束语
矿区采煤过程中需要抽排大量的地下水，如 果直接外排会引起水质恶化，造成水环境污染,
将矿井水处理、净化并加以利用，不仅可以满足
生产和生活用水，还可以创造较好的经济效益和 环境效益。蒸汽压缩机是装置蒸发结晶工段的核
心设备，其运行效果直接关系到蒸发结晶所需的
浓缩料液质量。笔者通过对振动速度传感器和系
统信号传输方式进行改造，不但保障了仪表检测
的稳定性，还提高了仪表维护人员的工作效率, 确保机组稳定运行，减少了装置的非计划停车次
数。
(收稿日期:2020-10-17，修回日期:2020-11-04)
(Continued  from  Page  137)
Abstract  In  this  paper , the  main  specifications  of  the  intrinsically  safety  remote  I/O  system  and  its  com ­
ponents  were  expounded , including  having  the  intrinsically  safety  remote  I/O  system  cored  to  develop  an  on -line  monitoring  system  for  reactor " s  surface  temperatures  ； in  addition , through  complete  description  of
the  system " s  application  scenario , structure , field  equipment  configuration  and  DCS  configuration , it  is
hoped  that  it  can  provide  a  reference  for  preparing  automation  solutions  to  similar  application  scenarios  in
related  industries.
Key  words  intrinsically  safe  remote  I/O , field -bus  communication , DCS , temperature
monitoring

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