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1引言

2020年4月1日，國務院安全生產委員會發布《全國安全生產專項整治三年行動計劃》，開始了對全國各個行業的安全生產專項整治行動，危險化學品生產經營企業自動化減人、抗爆控制室及機柜間的改造成為焦點。三年行動整治計劃的收官之年出臺《石油化工建筑物抗爆設計標準》，進一步體現了以人為本，安全第一的宗旨，人員撤離現場，控制室和機柜間抗爆改造勢在必行。很多企業現場機柜間不能滿足規范要求，需要抗爆改造，高昂的改造費用讓企業望而卻步。電子布線系統——OCS工業光總線控制系統技術能完美地解決這一難題。

2 OCS工業光總線控制系統的優勢

在傳統的自動化控制設計中，現場檢測儀表和執行機構是通過大量儀表電纜和DCS進行連接，每一臺儀表或者控制閥均需要獨立的電纜進行信號傳輸，檢測信號傳輸至安全柵柜，再至DCS的I/O機柜等一系列中間環節才能完成。一套生產裝置需要幾千根電纜，電纜的采購和施工費用占了大量資金。如果電纜直接敷設到中央控制室，不僅需要高昂的費用支撐，還存在傳輸信號衰減的技術難題。為了節省大量的電纜鋪設費用，往往在生產裝置附近建設儀表機柜間，安裝DCS控制器，DCS通過光纖傳輸至中央控制室。隨著安全監管的深入現場和以人為本的理念植入人心，現場機柜間需要抗爆建設已經是危險化學品企業的共識。而抗爆機柜間的建設費用，比電纜直拉中央控制室有過之而無不及。和利時OCS工業光總線技術的誕生，同時解決了以上兩個難題。

Onet工業光總線技術解決了控制器與現場設備的通訊問題，將iDTU（智能數據傳輸單元）分散式安裝在現場各個區域，用一組光纖代替了現場儀表到機柜間眾多的電纜，節省了大量的電纜購買和敷設費用。而且光纖還可以減少電纜傳輸中的干擾與衰減。Onet工業光總線技術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據以及非周期參數等數據到控制器中，控制器經過控制邏輯運算后完成相應的控制。由于iDTU分散在現場各個區域，機柜間不再需要數據采集卡件，DCS系統只剩CPU部分，光纖傳輸具備實時性和可靠性，DCS的CPU部分完全可以集中在中央控制室，取消現場機柜間，省去抗爆機柜間建設的巨資。

傳統機柜間的安全柵柜、端子柜和I/O卡件全部分散在 現場iDTU中，取消了大量金屬線纜，不但可以降低項目成本，還可以大幅降低材料和能源的消耗，可以把DCS控制器和中央控制室合用，幫助企業節省大量的資金。

3 OCS工業光總線控制系統技術優勢

OCS工業光總線控制系統融合了工業光總線技術和DCS技術，工業光總線技術是和利時在OCS上的一次創新應用，雖然利用光纖來傳輸以太網協議的技術已經十分成熟，但在光纖上傳輸工業總線協議仍然要克服很多技術上的難題。和利時利用其多年在DCS上的控制網絡Cnet積累的技術基礎，

開發了基于光通信的Onet冗余工業光總線。Onet符合IEC61158國際標準、JB/T10308.3-2001國標和EN50170歐標的要求，突破了現場總線光電設備的點對點傳輸限制，支持星形網絡拓撲結構，實現主光電設備通過光纖和總線連接單元星型連接多個從光電設備，降低了光纖和光電收發設備的數量，有利于節約材料、設備及成本。

4 OCS技術攻克的技術壁壘

4.1由于危化行業的易燃易爆特性，電氣設備失爆是引起著火爆炸的重要因素。達到防爆要求以適用于易燃易爆環境是工業光總線的技術壁壘，和利時iDTU率先攻破此技術難題，通過增安型無火花一體化防爆認證，并獲得TUVIEC/ATEXExecnAnC[iaGa]IICT4Gc,IP66，TUVIEC/ATEXExecnAnCIICT4Gc防爆認證,支持-40至+70℃寬溫工作溫度、-40至+55℃環境溫度下防爆，并且模塊自帶溫度和濕度監測功能，支持狀態預診斷，走在工業光總線技術的前沿。

4.2傳統的控制機柜都是放置于機柜間，而機柜間則是有嚴格的環境要求，夏天溫度控制在（26±2）℃,冬天溫度控制在（20±2）℃,相對濕度均為（50±10）%，噪聲不得大于75[dB（A）]，相對于機柜間環境，現場安裝的iDTU運行環境明顯更惡略，但和利時iDTU獲得CE認證、G3防腐測試、EMC3級判據，特別是采用車規級（汽車用芯片溫度范圍-40℃―125℃)寬溫芯片，保證產品的耐溫特性，密封等級達到了“nR”限呼吸型，避免現場有害氣體及水汽結露腐蝕，并在現場各種工況下表現出優異的性能。

5 OCS技術先進性

OCS技術在DCS上的控制網絡Cnet積累的技術基礎，開發了基于光通信的Onet冗余工業光總線。Onet符合IEC61158國際標準、JB/T10308.3-2001國標和EN50170歐標的要求，突破了現場總線光電設備的點對點傳輸限制，支持星形網絡拓撲結構，實現主光電設備通過光纖和總線連接單元星型連接多個從光電設備，降低了光纖和光電收發設備的數量，有利于節約材料、設備及成本。

基于軟件定義IO技術開發了一款通用I/O模塊，該產 品具備兩個特點，一是通過軟件來定義I/O的通道類型，I/O的所有通道在硬件上是完全一致的，不必為不同信號配置不同的I/O模塊，只需要通過軟件將通道設置為與現場儀表輸出相同的信號類型即可。另外通過軟件來切換備用通道，也就是N+1的通道冗余模式。當I/O通道出現故障時，只需要在工程師站上進行軟件切換，將故障的通道切換到備用通道即可，無需維護人員到達故障現場，節省了大量的備件設備及維護成本。

OCS技術采用無源（不需要電）光路分配器（簡稱RJU），將由電子間主控制器通訊接口引出的敷設到現場的兩路冗余光纜各分成16路尾纜，每對冗余尾纜掛接1個現場iDTU。現場各類儀表信號通過電纜就近接入iDTU，通過iDTU實現信號轉換。每對控制器可引出多對光纜，具有可靠性高、信號傳輸速度快、分散性好和可維護性高的特點。同時，iDTU作為一臺完整的防爆設備，進行的是整體防爆認證，具備在防爆1區域使用的能力。

抗干擾技術是OCS工業光總線最大的技術優勢，危化行業各種復雜的環境下，各種大型電氣設備、機泵、變頻器往往會對傳統的儀表電纜中傳輸的4-20mA電流造成較大的干擾，特別是直擊雷、感應雷時常會給儀表信號造成極大的破壞，甚至通過電纜信號損壞DCS系統，導致安全生產事故。于是儀表專業想方設法研究各種抗干擾措施，各種屏蔽接地、單點信號屏蔽，兩端防雷接地均成為儀表施工非常關鍵的環節。稍有差錯，就給安全生產帶來較大的威脅。OCS工業光總線徹底杜絕了這一隱患，十幾臺現場儀表和IDTU在現場形成一個等電位電氣孤島，總線傳輸信號不受電磁場、直擊雷及感應雷的干擾，信號更安全可靠。

6 OCS控制系統結構

基于工業光總線技術的OCS控制系統和傳統DCS一樣，上層軟硬件沒有變化，主要由工程師站、操作員站、冗余歷史站、設備管理站、冗余控制站和工業光總線智能數據傳輸單元（iDTU）等設備組成，其中從iDTU到RJU及冗余控制站之間都采用光纖進行通訊。

冗余控制站采用三重冗余鏈路，一對千兆以太網、一對RS-485鏈路和一組GPIO，保證了控制系統的冗余無擾、 功能安全、控制穩定，冗余切換平均無故障時間方面相比其它系統的控制器可以提升22.2%。

RJU作為光網絡通訊節點，每個RJU可以星形連接16個iDTU，而且采用無源光學器件技術，無任何數據交換和協議轉換，無延遲，采用純物理分光技術，使得可靠性和壽命得到極大的提高。

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。VIO模塊支持AI（4-20mA輸入/24VDC、HART、2線制）、AO（4-20m輸出/24VDC、HART）、DI(干接點/24VDC/SOE/Namur)、DO（24VDC）、RTD（Pt100、Cu50，支持1-500電阻值電量程上傳）、TC（J、S、E、K分度，支持其它分度電量程上傳）、PI（0.1Hz-10KHz）七種信號類型。iDTU還支持Modbus通訊協議，可以作為Modbus從站將現場數據傳輸至與第三方系統。

7 OCS就是工業光總線的應用范圍

OCS工業光總線控制系統是傳統工業控制系統邁向數智化建設的一個飛躍，利用光總線替代傳統電纜，無論從施工建設、傳輸速度、信號穩定性及可維護性均有較大的優勢。光纜傳輸“一天一地”的冗余性配置大大的增加了信號傳輸的可靠性保障，確保任何時候一跟光纜意外斷裂時，另一跟光纜能有效的傳輸測量和控制信號，適用于各種行業的工業測量和控制，特別是在危險化學品企業，控制室距離生產裝置較遠的情況下，OCS工業光總線控制系統有非常大的應用優勢。OCS工業光總線控制系統已經在中石化天津南港120萬噸/年乙烯項目、山東瑞康精化8000噸/年FB2C熱敏紙張添加項目、東岳華夏神舟10000噸PVDF等幾百個項目中成功應用，表現出優異的性能。

8 結束語

OCS工業光總線控制系統，是DCS系統巨大的技術變革，是現代電子技術和工業光通訊技術的成功結合而實現的精益化跨越，2019年底研制成功，至2023年9月份，被應用在330個項目上，特別是在大型煤化工、百萬噸大乙烯、大型多晶硅等多個重要行業取得應用，效果良好，為企業節省大量的資金。