IO-Link 技术在化工自动化控制系统中的应用论文

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　　摘要：当前，化工自动化控制系统建设成本高、可扩展性差，数据传输类型单一，缺乏异常事件预警、远程诊断、参数设定等“智慧化工”必需的通讯功能。为解决上述问题，文章提出在化工自动化控制系统中应用IO-Link技术，介绍了IO-Link的架构、特点及其独特优势，在此基础上分别从化工自动化系统底层装置、GDS等化工自动化控制系统设计等方面探讨了IO-Link技术在化工自动控制系统中的应用场景及存在的问题，为“智慧化工”企业的建设提供借鉴与参考。
　　关键词：智慧化工；自动化控制系统；IO-Link
　　1.概述
　　化工自动化控制系统作为化工企业的“眼睛”和“双手”，用于化工生产全过程中的检测报警、过程控制及安全联锁，包括SIS、DCS、GDS以及基于PLC的成套装置控制系统。化工自动化控制系统由数据采集单元、自动化控制单元、输出执行单元构成，其中数据采集单元和输出执行单元包括现场设备(传感器、执行机构)与IO模块。
　　现场设备与IO模块之间的数据传输以4～20 mA模拟信号叠加HART数字信号形式为主[1]，4～20 mA模拟信号用于传输过程数据，HART数字信号用于传输通讯数据。这种数据传输方式需要在机柜内布设数量较多的IO模块，从现场至机柜敷设大量线缆；基于HART协议的故障诊断和参数设定需在机柜室安装专用服务器或通过HART手操器使用。随着化工行业工艺流程日益复杂、安全管控力度日益增强，便捷性与可扩展性已成为化工自动化控制系统中数据采集与输出执行单元的发展趋势，传统的数据传输方式显然无法满足此要求。
　　近年来，工业自动化企业相继提出了“工业光总线”技术，将IO模块布设在现场侧与传感器、执行器连接，IO模块与主控制器通过冗余光纤总线形式进行数据传输，通过“光进铜退”实现可扩展要求，并节省线缆敷设成本。该方式实质上是将IO模块从机柜搬到现场侧，没有从根本上改变现场设备与IO模块之间的数据传输形式；故障诊断和参数设定等通讯数据需要在化工装置现场侧通过手操器进行传输。
　　随着传统化工向“智慧化工”转型升级，对提升关键设备、关键流程数据采集能力，实现数字化监控、设备故障预警诊断提出了更高要求。综上所述，有必要应用一种新的现场设备与IO模块之间的数据传输技术，以兼顾可扩展性与过程数据、通讯数据传输的便捷性。基于此，本文探讨了IO-Link技术在化工自动化控制系统中的应用场景。
　　2.IO-Link技术介绍
　　IO-Link定义于国际电工委员会IEC 61131-9标准，是一种专门面向传感器、执行机构的双向串行数据传输协议。IO-Link系统主要包括传感器和执行机构、主站以及非屏蔽标准电缆，其架构如图1所示。

　　如图1所示，IO-Link主站放置于化工装置现场侧(防爆箱内)，作为中转部件，接入若干数量的传感器和执行机构等底层设备，并通过profinet、ethernet、cc-link、ethercat、profibus、modbus等工业总线与上层通讯。
　　IO-Link主站与底层设备的连接采用非屏蔽电缆，如图2所示。传感器使用三芯电缆，其中两芯分别用于+24 V与公共地，提供至少300 mA的工作电流，第3芯(C/Q)用于数据交互；在此基础上，执行机构采用五芯电缆，预留两芯(2L+、2M)用于额外供电。

　　主站与底层设备的交互通常包含以下四类数据：
　　(1)过程数据：由底层设备循环发送至主站，其大小由底层设备指定；
　　(2)状态数据：端口工作的状态值，通常用于验证该通道数据是否有效，由底层设备的过程数据一起循环传输；
　　(3)设备数据：双向非循环数据，用于设定/上传参数、上传诊断信息及设备标识数据；
　　(4)异常事件：非循环数据，当底层设备工作异常，如断线、短路、过热等事件发生时，设备向主站发送错误或警告信息。
　　设备数据、异常事件以及其他数据的传输过程彼此独立、互不冲突。历史数据存储在现场主站，保证数据安全性的同时，降低上层历史站负载。
　　同时，IO-Link主站允许接入不具备IO-Link数据传输功能的底层设备，通过IO-Link hub(扩展器)将4～20 mA或总线等形式的过程数据进行双向透传。
　　3.IO-Link技术在化工自动化控制系统中的应用场景
　　IO-Link技术面向与底层设备的数据交互，基于其灵活的架构及标准的连接方式，应用于化工自动化控制系统中具有独特优势。
　　3.1具备IO-Link数据传输功能的底层设备
　　利用IO-Link技术完善底层设备的数据传输功能，目前已取得了一定程度的研究成果。P+F推出带IO-Link接口的R10X与R20X系列光电传感器[2]，通过远程配置参数实现动作条件可调节，解决了现阶段光电传感器输出模式固定的问题。周峰等基于IO-Link技术研制了新型条型光栅传感器并应用于对烟丝堆料槽的监控[3]，不仅提高了烟丝产品质量，而且减少了堵塞造成的停机次数，降低了设备调试及运维成本。石磊等提出一种具有IO-Link通讯接口的温湿度传感器[4]，充分利用IO-Link技术强大的数据交互能力，解决了现有的自动化工控过程中温度湿度信息获取不方便的问题。
　　在化工自动化系统底层设备中，4～20 mA+HART的信号传输方式仍是主流，在实际生产中往往仅利用其模拟量信号；而工艺操作工况(如温度、压力、流量等)和设计工况会有不同程度差异，尤其涉及工艺路线改进，对按照设计数据采购并已投入运行的底层设备来说无疑是巨大的考验。当操作人员察觉到底层设备的输出问题时，再通过“475”等手操器的HART通信功能进行故障排查和原因分析，经常是“回天乏术”，尤其涉及质量流量计等高价值设备，超温工况导致的损坏难以修复，不可避免会造成巨大的经济损失。IO-Link提供了开放式的交互协议标准供底层设备生产商沿用，数据传输速率最高达230.4 kb/s，远超HART通信速率1.2 kb/s。具备IO-Link数据传输功能的底层设备，可将运行过程中的超温、进水短路等异常事件主动发送至主站，进而通过主控器在HMI预警。操作人员及时采取措施更改工艺参数或将设备临时下线，以避免工况异常产生的不安全因素以及设备损坏造成的经济损失。
　　在真正实现智能化交互的同时，底层设备与IO-Link采用标准化的插拔式接口连接，便于设备调试、更换及运维。
　　3.2基于IO-Link的GDS系统
　　GDS系统独立于其他自动化控制系统，位于典型保护层中的减灾层(IEC61511)，不间断监视可燃和有毒气体浓度，根据控制逻辑联锁消防设备和报警。典型的GDS系统设计为4～20 mA模拟量输入、数字量信号输出。由于化工厂气体检测器的数量普遍较多，导致系统上层结构臃肿；报警器多分散于化工装置区内，长线路电缆敷设无疑增加了施工作业量及成本。
　　基于IO-Link技术的GDS系统可有效解决上述问题，通过总线连接、置于现场侧的IO-Link主站可就近接入气体检测报警器，具有优异的扩展性能，可有效缩短建设周期。
　　气体检测报警器误报是化工企业GDS系统不可忽视的问题。由于检测原理所致，在潮湿气候、雾霾天气，以及内部泵出口堵塞等情况下，气体检测报警器容易产生误报，往往需要现场确认报警原因，同时需防止消防联锁误动作。在现场情况不明朗的情况下进入装置区，具有极大的危险性，这偏离了GDS系统的设计初衷。基于IO-Link技术的GDS系统可接收到来自底层气体检测报警器的异常事件信息，并通过设备数据交互进行远程诊断，确保人员安全，保障化工装置平稳运行。
　　3.3基于IO-Link的PLC控制系统
　　在化工成套装置PLC控制系统中，IO-Link技术取得了较为成熟的应用。为减少机柜内部扩展模块、继电器等低压元器件数量，节约柜内空间、降低发热量，唐亚峰等提出了一种硫化机IO-Link总线控制系统并取得良好应用效果[5]。陶国良等基于IO-Link协议，发明了阀岛可视化检测设备及检测方法的技术方案[6]，满足阀岛的连续检测要求的同时，快速诊断阀岛功能是否异常，提高了对阀岛的检测精度和质量。
　　目前，主流PLC产品已实现IO-Link标准，如图3所示，通过简单的组态配置即可实现IO-Link设备接入。

　　4.IO-Link技术在实际应用中需解决的问题
　　IO-Link技术尚处于初期发展阶段，在化工自动化控制系统应用中尚有部分问题需要解决。
　　4.1设备防爆性能有待增强
　　化工厂区爆炸和火灾危险环境中的电气设备须满足防爆要求，并取得相应的防爆型式认证。IO-Link面向系统底层，设备布置于现场侧，而关于其防爆型式、专用防爆接头等相关产品的研发较少。因此在实际应用中，需要开展相关研究以增强IO-Link设备的防爆性能，从而应对不同级别和组别的危险场合。
　　4.2市场普及率不高
　　由于化工厂区环境复杂、安全风险系数高、智慧化建设难度大，因此对于新技术的推广，化工企业往往首先选择观望，在确保安全并取得良好效益或标准规范强制要求的情况下才会选择应用新技术，而这对于新技术由应用走向成熟的过程来说是不利的。因此，有必要以小规模化工装置应用为切入点，同步开展老旧控制系统改造，融合化工行业实际生产特点，充分发挥IO-Link技术的优势，带动企业智能化转型升级，进而完善技术、逐步扩大市场推广。
　　4.3标准规范待完善
　　新技术应用可参考、依照的标准规范较少，在应用初期不可避免出现各类乱象。因此有必要结合化工生产实际，围绕IO-Link设备性能、系统搭建细节、数据传输协议等方面，建立并完善相关标准规范，正确引领IO-Link技术在化工自动化控制系统中的应用、发展，这需要化工行业各领域专家、IO-Link社区工作者以及设备厂商多方共同参与。
　　5结论
　　本文在介绍IO-Link技术特点的基础上，分别从底层装置、系统设计等方面探讨了其在化工自动控制系统中的应用，主要优势总结如下：
　　(1)开放式通讯协议，标准化硬件接口，独立于上层总线，有效节省施工建设成本，便于安装、扩展及运维。
　　(2)传输数据类型丰富，过程数据与通讯数据互不干扰，真正实现智能化的同时，提高了运维过程的安全性与便捷性。
　　与此同时应该看到，IO-Link技术在化工行业的应用尚处于探索阶段，在提高设备性能、市场普及推广等方面还有较大的发展空间。但借助于其与生俱来的优势和“智慧化工”的行业转型趋势，相信在不久的将来，IO-Link技术一定会在化工自动化领域中占据一席之地。
　　参考文献：
　　[1]张晓刚.流程行业工业通讯技术发展趋势[J].自动化博览，2021(5)：32-33.
　　[2]面向未来的工业传感器[J].现代制造，2020(21)：22.
　　[3]周峰，程群，王宏用.IO-Link在卷烟机械设备中的设计与实现[J].电脑知识与技术，2020，16(2)：255-256.
　　[4]石磊，孙凯明，王刚，等.一种具有IO-LINK通讯接口的温湿度传感器：CN2018220792083[P].2019-10-01.
　　[5]唐亚峰，祝伟伟，周峰，等.硫化机IO-Link总线控制系统及其布局方法：CN2020104175706[P].2021-11-19.
　　[6]陶国良，范翔.基于IO-Link协议的阀岛可视化检测设备及检测方法：CN2021115490380[P].2023-08-22.

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