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从DCS到OCS:过程控制系统的一次质变

作者:www.cechina.cn2022.01.07阅读 1555


——专访杭州和利时自动化有限公司副总裁黄劲松

  “ 相比传统的DCS,采用OCS工业光总线控制系统可以大幅节省自动化系统的投资成本,并大幅缩短项目建设周期,降低控制系统的维护成本。”
  这是杭州和利时自动化有限公司副总裁黄劲松,在笔者对和利时新近发布的OCS工业光总线控制系统做专访时给出的回答。
  DCS,分布式控制系统,自20世纪70年代诞生以来,凭借其无与伦比的技术优势,在炼油、石油、化工、电力、冶金等大型过程控制领域已经成为了标配。正因为如此,在过去的三四十年间,DCS 也未发生大的改变。 
  如今,技术飞速发展,IT、ICT、IoT等新兴技术给全社会带来了前所未有的变革。而这一次,光通信技术和软件定义被引入到了DCS,DCS进化为了OCS,无论是系统架构,还是控制器和I/O,都发生了质变,从而在项目成本、机柜间面积和实施周期等各方面都大大胜过了传统DCS。 
  那么什么是OCS?为何能变革传统的DCS?它用到了哪些创新技术?能够为用户带来哪些好处?适合于哪些应用场合呢?为此,CONTROL ENGINEERING China和黄劲松进行了一次深入的访谈。
  何为OCS? 
  和DCS(Distributed Control System)类似,OCS是Industrial Optical Bus Control System的简称CONTROL ENGINEERING China版权所有,中文称为工业光总线控制系统。OCS和DCS的最大区别在于,OCS中采用了光纤作为控制器和I/O之间的网络传输介质,替代一直沿用的铜芯双绞线电缆。
  传统控制系统,现场设备的信号传输到控制系统需要经过现场接线箱、电缆桥架、端子柜、安全栅 柜、I/O机柜等一系列中间环节才能完成。如图1所示。而OCS彻底改变了传统DCS的系统架构,现场设备直接通过位于现场的工业光总线数据传输单元(iDTU)连接到远端的控制器,省却了一系列的中间环节。如图2所示。

图1(上)、图2(下)

  OCS工业光总线控制系统主要由工程师站、操作员站、冗余历史站、设备管理站、K系列冗余控制站、冗余工业光总线连接单元(RJU)和工业光总线智能数据传输单元(iDTU)等设备组成,其中从iDTU到RJU及冗余控制站之间都采用光纤进行通讯。 

  K系列冗余控制站采用三重冗余链路,一对千兆以太网、一对RS-485链路和一组GPIO。保证了控制系统的冗余无扰、功能安全、控制稳定,冗余切换平均无故障时间方面相比其它系统的控制器可以提升22.2%。
  RJU相当于交换机的作用,每个RJU可以星形连接16或者32个iDTU,而且采用无源光学器件技术,物理iDTU用于连接现场设备,并通过Onet工业光总线与控制站进行通讯。
  iDTU采用模块化设计,主要由冗余的VIO模块、冗余的光总线接口模块以及冗余的电源模块组成。VIO模块支持AI、AO、DI、DO、PI、Namur六种信号类型。iDTU还支持Modbus通讯协议,可以作为Modbus从站将现场数据传输至与第三方系统。
  OCS有哪些技术上的创新? 
  OCS工业光总线控制系统当然不只是用光纤替代原先的铜制线缆这么简单,事实上,它在现场信号输入/输出和传输环节的技术创新,已经取得了6项发明专利。黄劲松介绍说,OCS在技术上主要突破了工业光总线和软件定义I/O两大技术。 
  工业光总线是和利时在OCS上的一次技术创新应用。尽管利用光纤来传输以太网协议的技术已经十分成熟,但在光纤上传输工业总线协议仍然要克服很多技术上的难题。和利时利用其多年在DCS上的控制网络 Cnet积累的技术基础,开发了基于光通信的Onet冗余工业光总线。和以太网的7层架构不同,Onet只有物理层、数据链路层和协议层这三层CONTROL ENGINEERING China版权所有,这种简洁的层次大大提高了传输的效率。Onet符合IEC 61158国际标准、JB/T 10308.3-2001国标和EN50170欧标的要求,支持星形网络拓扑结构,支持128个节点设备,通讯速率 24Mbps,传输介质为单模光纤,传输距离20千米(无中继)。
  软件定义I/O在DCS领域是近年来兴起的技术,和利时其实在此领域早有准备。软件定义I/O体现在两个方面,一是通过软件来定义I/O的通道类型控制工程网版权所有,I/O的所有通道在硬件上是完全一致的,不必为不同信号配置不同的I/O模块,只需要通过软件将通道设置为与现场仪表输出相同的信号类型即可。另外一种是通过软件来切换备用通道,也就是N+1的通道冗余模式。当I/O通道出现故障时,只需要在工程师站上进行软件切换,将故障的通道切换到备用通道即可,无需维护人员到达故障现场。
  OCS能够带来哪些好处? 
  OCS工业光总线控制系统在技术上的一个个创新,给传统过程控制系统带来根本性的变革,当然也给用户带来了众多的好处。
  第一,OCS带来了项目初期成本的大幅降低。一方面,由于在控制站与现场数据采集单元之间采用光纤通信,大大节省了原本昂贵的仪表电缆的使用量,同时也降低了电缆桥架等中间环节的成本,而且采用的是工业光总线技术,相比利用基于以太网的光纤传输,成本更为节省。另一方面,由于省去许多中间环节,控制系统的后期维护成本以及备品备件的成本也可以大幅降低。 
  第二,OCS的项目实施周期可以大幅缩短。一方面得益于OCS简化的系统架构,大大减少了施工量,一方面得益于软件定义I/O技术,消除了传统工程设计中的现场设备和控制器之间的信号编排(Marshalling)环节,从而缩短项目执行周期。另外,标准化工程设计,简化了设计院工作流程,模块化的标准机箱设计,缩短厂商供货交付周期,到货即可实施现场指导及安装,最终实现用户、设计院和厂商的三方共赢。 
  第三,系统的可靠性更高。工业光总线的应用在提高现场信号传输过程中抗电磁干扰能力和防雷击能力上表现优越,且一根光纤可以传输至少512路现场信号,无需中继的情况下传输距离长达20千米,更为重要的是,可以实现现场信号的冗余传输,传输效率更高、可用性更强。
  OCS在系统的高可用性方面有哪些专门设计?
  对于用户来说,除了成本等因素外,系统的可用性是最重要的,毕竟过程控制系统往往都是应用在石化、化工等对连续生产要求很高的关键应用场合。那么,OCS在系统的可用性和可靠性方面有哪些专门的设计呢? 
  黄劲松对此表示,OCS在Onet工业光总线和RJU、iDTU上都针对可靠性有专门的设计。 
  在Onet光总线通讯上,从控制器到iDTU之间都采用冗余设计,不但保证了主备控制器之间能够快速切换,而且整个光总线链路具有实时诊断功能,能保证通讯的可靠性和确定性。 
  最为重要的是,iDTU专门针对工业现场恶劣苛刻的环境进行了适应性设计。iDTU支持-40℃~+85℃宽温工作温度,满足-40℃~+70℃危险环境的防爆使用要求,并且具有温度及湿度监测功能,支持I/O通道状态诊断。iDTU整体还通过了EMC 3A级、IEC/ATEX/GB无火花增安防爆(1类2区)、IP66防护等级、气密性 NR设计、G3防腐等级、CCC及CE等国际国内体系认证。这一点对于整个OCS的可用性是至关重要的一个技术突破。
  OCS如何保证系统的安全性? 
  工控系统的信息安全面临着越来越严峻的考验,APT攻击行动高发,勒索病毒技术手段不断升级,历史重大漏洞利用问题严重,那OCS在信息安全方面有什么独特之处呢?黄劲松表示OCS已经将最新的信息安全技术——可信计算技术植入到了控制系统之中。 
  在OCS的K系列控制器中已经融入了可信计算技术,不同于传统工业控制系统的防火墙、纵深防御等信息安全的被动防御机制,可信计算技术实现了基于内生安全的主动免疫机制。据黄劲松透露,K系列控制器采用高性能主处理器及基于国密算法的协处理器,做到了静态可信启动、动态可信度量和固件更新可信等三项信息安全防御策略。
  OCS有没有一些应用实践?效果如何? 
  毫无疑问,一个新的控制系统是否能够应用到工业现场,最重要的是需要经过现场实践的验证。这一点也受到了和利时的重视,在OCS的研发过程中,和利时携手设计院一起边实践边研发,截止到目前,OCS工业光总线控制系统已经在数十个工业现场得到了成功应用。 
  黄劲松举例说,山东某精细化工企业2021年根据安监局要求,将原有存在安全隐患的现场机柜间搬迁到远离生产装置的安全位置,由于产品销售行情好,加上安监局要求限期整改,用户急需在最短的时间周期内完成改造工作。面对紧张的改造周期,和利时的OCS系统方案以其工程量小、安装部署方便的特点得到了用户认可,用户最终选择了OCS系统进行原有自动化系统的改造。6月底工厂装置停工开始改造,不到2个月时间完成了现场改造的全部工作,于8月顺利投入正常运行,受到了用户的一致好评。
  OCS的未来将如何发展? 
  OCS工业光总线控制系统的推出,可谓是我国自动化厂商在过程控制系统领域走向全球领先水平的重要一步。尽管一些国际厂商通过光纤来传输现场信号减少布线已经应用多年,但和利时的OCS工业光总线控制系统在成本、可用性、维护性和安全性方面更胜一筹。因此,在黄劲松看来,在目前我国大力发展自主可控、安全可信的关键工业技术这一历史时期CONTROL ENGINEERING China版权所有,OCS工业光总线控制系统的诞生无疑成为了我国广大石化、化工、石油天然气、液化天然气和城市燃气等行业用户的最佳选择之一。
  黄劲松也表示,除了下一步将在这些行业大力应用推广之外,和利时将继续保持自主创新,不断丰富基于工业光总线的产品方案。
  时代的发展滚滚向前,顺势而为才不会被时代所淘汰。尽管未来充满不确定性CONTROL ENGINEERING China版权所有,但我们可以确信,从DCS 到OCS不仅仅是一次技术上的质变,更是时代发展的潮流,OCS取代传统的DCS或许指日可待。
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