一 本质安全防爆接口技术的新格局
为了适应工业过程自动化控制系统及仪表的发展，如今的本质安全防爆接口技术及其产品呈现出前所未有的多样性。归纳起来，可分为3类应用方案：
（1）从点对点接线到点对点接线（Point to Point），即传统安全栅方案。这类本安防爆接口以隔离式和齐纳式安全栅为代表。应用特点是现场仪表以点对点的接线方式接至安全栅，安全栅再以点对点的接线方式接至控制系统（DCS/PLC）的I/O卡。这是传统的本安防爆接口技术。
（2）从总线到总线（Bus to Bus），即现场总线方案。代表产品为现场总线本安中继器、安全网桥、本安配电链接模块和本安配电链接现场模盒等。应用特点是现场仪表以现场总线方式连接，经过上述产品，仍以现场总线方式接至控制系统的现场总线网卡。这是最新的本安防爆接口技术。
（3）从点对点接线到总线（Point to Bus），即远程I/O方案。代表产品为远程I/O型的隔离栅和本安型的远程I/O。应用特点是现场仪表以点对点的接线方式接至远程I/O，而远程I/O则以总线方式接至控制系统的通信总线或现场总线网卡。显然，这是兼顾前两类应用方案的一种中间方案，也是本文将详细讨论的方案。
二 远程I/O型本安防爆接口技术的优势
采用远程I/O型本安接口技术的好处主要体现在以下几点。
1. 与传统安全栅方案相比
（1）由于减少了电缆和控制系统I/O卡的使用量，从而可节省系统的硬件成本；
（2）由于减少了电缆铺设和接线的工作量，从而可降低工程的施工费用；
（3）由于智能化程度大大提高，更方便用户的使用和维护。
2. 与现场总线方案相比
（1）可将传统模拟量信号挂接到现场总线上，这些模拟量信号如4~20mA信号（AI/AO）、热电偶和热电阻信号、NAMUR开关和干接点信号（DI）、NAMUR或干接点频率量信号（PI）、电磁阀驱动信号及报警输出信号（DO）等，并不会很快被现场总线完全取代；
（2）可在一根总线上传递更多点位的测量和控制信息；
（3）更适应员工素质的逐步提高，既可使用传统的仪表检测工具对现场仪表进行维护和检修，又可使用PC机等智能工具学习现场总线仪表的维护和检修方法，为今后使用现场总线仪表做准备。
三 适用远程I/O方案的防爆场合
虽然包含本安防爆功能的远程I/O品种现在已经很多了，但是什么样的防爆场合适用远程I/O方案仍然是人们经常关心的话题。实践表明，在以下几种防爆场合，用户会考虑采用远程I/O方案以满足各自不同的要求：
（1）当同时建设几个比较分散的装置时，用户既不愿为每个装置都建设独立的主控室，又不愿将太多的钱花在电缆和桥架上。此时，如果这些装置本来就准备采用本安防爆，适当选用带有本安防爆功能的远程I/O便可一举两得。
（2）当主要装置进行建设时，常有某些辅助装置的建设不能同步进行，或者主装置的某一部分不能同步进行，甚至不能确定这些部分何时才能建设。如果预留这部分的主控室空间或DCS容量，耗费又太大。此时，若这些辅助装置和不确定的部分需要本安防爆，则可采用远程I/O方案，只需预留DCS的串行通信口就可以了。
（3）当装置改扩建时，用户希望避免在已经拥挤的主控室扩充新的 DCS机柜和安全栅机柜。此时，只要原有的DCS系统有备用的串行通信卡，或可以扩展一个通信卡，而且DCS的控制器尚有足够容量，便可采用远程I/O方案。
（4）当一个装置的检测点很多，而控制点较少时，用户会感觉同时购置大量I/O卡和安全栅用于检测点不值得。此时，较合理的方案就是采用结合I/O卡和安全栅功能为一体的远程I/O。
（5）当一个装置采用现场总线方案时，用户会发现有些现场仪表没有现场总线型品种，或者不值得采用现场总线型仪表。这时，可采用能挂接到现场总线上去的远程I/O。
四 应用远程I/O时的疑虑及其解答
当一个用户已经习惯了DCSI/O卡配合安全栅的传统方案时，他对远程I/O方案的应用免不了心存疑虑。然而，随着他对远程I/O的了解越来越多，他的疑虑就会越来越少。
1. 疑虑一，系统的可靠性
人们最常遇到的问题就是DCS的控制点I/O卡通常都采用冗余方案，那么远程I/O的I/O模块可以冗余吗？如果不能冗余，岂不是会降低系统的可靠性？
要解答这个疑虑，必须再仔细分析I/O卡配合安全栅的应用方案。的确，对于控制点，DCS通常采用冗余的I/O卡。但是，应该注意到，安全栅是不冗余的。为了将安全栅故障的影响限制在最小范围内，通常都采用单通道隔离栅，并要求隔离栅可热插拔。所以，如果采用单通道、可热插拔的远程I/O型隔离栅，并采用冗余的网关和通信总线，则采用远程I/O方案时，系统的可靠性事实上并没有被降低。当然，如果采用多通道的远程I/O模块，由于I/O模块不冗余，系统的可靠性将受到影响。
2. 疑虑二，系统的运行速度
采用远程I/O，众多检测和控制信号通过一根总线与DCS双向通信，那么系统的运行速度是不是会因此而大幅降低呢？
首先，串行通信速度永远比不上并行通信速度，这是不争的事实。但是我们需要关心的应该是采用远程I/O方案后，系统的运行速度能否满足工艺的要求。或者说，更应该关心如何正确选用远程I/O，以满足工艺的要求。
其次，应该认识到，远程I/O的通信周期，通常只占系统运行周期的一小部分。同时，选用恰当的通信协议和波特率，往往可以将远程I/O的通信周期对系统运行速度的影响减小到最低程度。
其三，不是所有的装置都对运行速度敏感。即便是对那些对运行速度敏感的装置，通常也只有部分回路对运行速度的要求比较苛刻。选择方案时，应充分根据工艺的不同要求灵活处理。人们常常会忽视，在大部分装置中，将I/O卡配隔离栅方案和远程I/O方案组合应用，可以各取所长，珠联璧合。
3. 疑虑三，通信总线协议的选择
要应用远程I/O就得至少掌握一种通信协议，岂不是多添一份负担？况且通信协议的品种那么多，都各说各的好。到底选什么，难以把握。
通信总线协议的确各有千秋。但，也不是没有选择的方法。最简单而合理的原则，就是跟着DCS走。DCS供应商热衷什么协议，就考虑选用什么协议。第二个原则，是以我为主，即自己对什么协议熟悉，就采用什么协议。
P+F公司的远程I/O通常可以通过选择不同的网关来支持多种不同的通信协议。现简单介绍几种最常用的协议：
（1）Modbus-RTU。这是一个开放性和通用性 非常好的通信协议。长期以来，一直作为DCS和PLC之间通信的标准协议，几乎所有的DCS和PLC都支持它。采用RS-485物理层，屏蔽双绞线电缆。通信距离200～1200m。波特率为9.6～38.4kb/s。其特点是简单、通用、普及和容易掌握，但通信速度比较有限。
（2）Profibus-DP。这是一种应用越来越广泛的开放性总线协议。长期作为西门子、和利时等公司DCS系统的内部总线协议，发展得非常完善。现在已成为众多DCS系统的标准远程通信协议。如ABB、福克斯波罗、横河、艾默生等公司的DCS，均支持这种通信协议。采用RS-485物理层、屏蔽双绞线电缆。通信距离200~1200m。波特率为93.75kb/s至1.5Mb/s。特点是普及和通用性较好，通信速度足够快。
（3）Profibus-PA和Foundation Fieldbus。这是目前比较流行的两种现场总线协议。采用这种协议的远程I/O，主要是为了将传统的模拟量信号挂接到现场总线上。其物理层采用IEC61158-2标准，标准现场总线A型电缆，通信距离200～1900m，波特率为31.25kb/s。
除此以外，还有ControlNet、Modbus Plus、EtherNet等，就普及和通用性而言，均不及上述介绍的几种协议。
4. 疑虑四，远程I/O的现场安装
DCS的I/O卡和隔离栅的机柜通常都安装在有空调的控制室内，环境优越。而远程I/O要安装在现场，人们难免会对现场的环境条件多一层顾虑。如远程I/O本身的防爆问题，现场的防水、防尘和防腐问题等。
这里所讨论的远程I/O都包含有安全栅的功能，所以对现场仪表而言，与采用普通安全栅时一样，都是本质安全防爆。对此不作详细解释。
至于远程I/O本身，常用的防爆方法有两种：一是无火花型防爆，Ex n，远程I/O可安装在危险区 Zone 2（Division2）；二是本安防爆，Ex ib，远程I/O可安装在危险区Zone 1（Division 1）。两者无所谓孰优孰劣， 选用时完全看现场危险区的划分。
安装远程I/O的现场机柜应满足防水、防尘和防腐的要求。比如，对于普通现场环境，应采用IP54至IP65防护等级的不锈钢密封机柜；对于强腐蚀性现场，可采用正压通风机柜；对于严寒或酷热环境，可采用伴热或冷却保温机柜。
从“以人为本”的理念出发，越来越多的工厂在装置附近设置现场工作小屋。此时，可将远程I/O安装在此工作小屋内。
5. 疑虑五，HART智能通信
如今，HART智能通信已经广为普及。于是，当人们讨论是否选用远程I/O的时候，自然就会问，使用远程I/O方案后，还能进行HART通信吗？
事实上，有不少远程I/O支持HART智能通信。但它们中的大多数并不是通过与DCS连接的通信总线进行HART通信，而是通过集成在远程I/O中的HART多路扫描器，建立独立的远程HART管理系统。这是为了让DCS通信总线专心处理检测和控制信息。
用户如果喜欢HART智能通信，选用远程I/O时就应该与供应商充分讨论，以确定恰当的配置方案。不仅要注意软、硬件配置的简便和廉价，更应该关注HART通信与正常的检测和控制信号通信的相互影响。
五 远程I/O型隔离栅
P+F公司的RPI是一款充分照顾用户对 DCS和传统隔离栅应用习惯的远程I/O型隔离栅。其应用结构如图1所示。
（1）RPI的远程隔离栅模块与P+F公司的KF系列隔离栅极为相似，它们的外形、DIN轨道安装方式、可选择单通道和点点隔离的模块、双通道或4通道模块、轨道式供电和可插拔信号端子，以及适用的现场仪表品种等都相同。总之，RPI尽可能地保留了KF系列隔离栅的应用特点，以照顾传统隔离栅用户的应用习惯。
（2）与普通隔离栅不同的是，进入RPI远程隔离栅模块的信号全部经数字化处理，然后经合成在电源轨道之中的内部总线传送至网关，再由网关经外部总线与DCS通信。而控制输出信号则反方向操作。
（3）内部总线为改进型冗余CAN总线。免调试全自动运行，全自动自诊断。
（4）网关和外部总线可冗余配置。每台或每对网关可带125个隔离栅模块。
（5）RPI可采用冗余配电方式。
（6）高可靠性的系统配置。由于RPI可采用单通道、点点隔离的隔离栅模块，冗余的内部总线、冗余的网关和外部总线及冗余的配电，所以，只要DCS也采用冗余的通信卡配置，便可组成全冗余、高可靠性的远程I/O系统。其运行安全性决不低于由DCS冗余配置的I/O卡加上普通隔离栅所组成的传统方案。
（7）RPI的所有模块本身都采用无火花型防爆，即ATEX Ⅱ 3 G EEx n Ⅱ A T4，可安装在危险区Zone2（Division 2）。这已可满足大部分现场机柜安装地点的防爆要求。
（8）RPI的所有模块均可在线热插拔。除更换网关需下装组态文件外，所有其他模块的更换，均可即插即用，无需重新组态。在线维护极为方便。
（9）RPI支持众多通信总线。如Profibus-DP、Profibus-DPE、Modbus-RTU、Modbus-Plus、ControlNet、Ethernet等，从而几乎可与所有DCS和PLC通信。
（10）RPI支持HART通信。除了Profibus-DPE网关支持通过Profibus-DPE总线直接进行HART通信外，其他网关可通过RS-485通信口与AMS、Conerstone、Pactware等 HART管理系统相联。
（11）RPI的远程I/O型隔离栅模块品种非常齐全。各种模块可任意组合、混合安装。而且，由于采用内部总线结构，使各模块的内部地址与其安装的位置没有关系。这就使得RPI系统无需编组（Marshalling）。
（12）RPI可与普通KF系列隔离栅混合安装，共用电源轨道，而互不干扰。此方案常用于那些对控制回路的响应速度要求特别高的装置。即控制点采用DCS冗余I/O卡配合KF系列隔离栅，而检测点采用RPI以节省DCS的I/O卡。
六 本安型远程I/O
P+F公司的本安型远程I/O系统IS-RPI，是目前为数不多的、可安装在危险区Zone 1（Division1）的远程I/O系统之一。其系统结构如图2所示。
（1）IS-RPI不但包含安全栅功能，为现场回路提供本质安全防爆，其I/O模块和网关本身也采用本安防爆ATEX II 2 G EExibⅡCT4。 因而可安装在危险区Zone 1（Division 1）。
（2）IS-RPI的最大特点是可以直接挂接在本安防爆的现场总线上与DCS通信。图2中的模块B此时为现场总线的安全网桥。现场总线可为IEC61158-2物理层的Profibus-PA或Modbus-RTU。每段现场总线可挂接4组 IS-RPI。IS-RPI也可以与其他现场总线仪表挂接在同一段总线上。
（3）IS-RPI支持冗余的Profibus-DPE总线（总线电缆冗余）。此时，图2中的模块B为DP总线隔离栅。采用此总线的优点是通信速度快，IS-RPI的通信波特率可高达12Mb/s，从而能满足绝大多数装置的工艺要求。
（4）IS-RPI还支持ControlNet总线的光缆通信。此时，图2中的模块B为适配解调器。采用光缆通信可使通信距离长达3km，从而实现超远程通信。
（5）每台IS-RPI网关可带8个多通道的I/O模块。
品种包括模拟量输入（8通道）、模拟量输出（8通道）、温度信号输入（8通道）、开关量输入（16通道），开关量输出（4或8通道）和频率量输入（双通道）等。
（6）IS-RPI的网关和I/O模块均采用本安配电。 其本安配电箱挂装在IS-RPI现场机柜之外。这样做的目的是保证IS-RPI机柜内均为本安防爆，使所有柜内接线和模块维护均可在线热操作。
（7）IS-RPI的工作温度可高达70℃。因而更适合现场安装。
（8）IS-RPI最具特色典型的应用，是用户采用现场总线Profibus-PA作为总体方案，但发现有些现场仪表只有传统4～20mA模拟量品种，或者还有热电偶热电阻或干接点等简单仪表。此时，就可通过IS-RPI将这些仪表挂接到现场总线上，从而保证了总体方案的顺利实施。
七 现场总线的现场I/O模盒
如今，现场总线Foundation Fieldbus和Profibus-PA的应用越来越令人关注。现场总线的本安防爆已经不成问题。现场总线仪表的品种也日益增加。但是，有一个问题始终困扰着用户，就是开关量输入输出信号如何挂接到现场总线。
P+F公司为此发明了一种本安型的现场总线现场I/O模盒——FPI，专门用来将开关量输入输出信号挂接到现场总线。FPI的应用如图3所示。
（1）FPI现场I/O模盒相当于一个多参数的现场总线仪表，应用时直接挂接在FF现场总线的H1或者Profibus-PA总线上。通常，每段本安总线可挂接4个FPI模盒。
（2）最常用的FPI是用于开关阀控制回路的开关量输入输出，可将8个开关量输入信号（接近开关或干接点信号，如阀门反馈信号）和4个开关量输出信号（电磁阀驱动信号）挂接到FF的H1或Profibus-PA总线上。
（3）另一款常用的FPI主要用于液位控制，它可将4台NAMUR型音叉液位开关和8个阀门反馈信号开关挂接到Profibus-PA总线上。
（4）FPI均为本安防爆ATEX Ⅱ （1）2 G EEx ia ⅡC T4，可安装在危险区Zone 1（Division 1）。
（5）FPI均有IP65防护等级的现场安装型机壳，可直接在现场安装，无需机柜。
（6）FPI由现场总线供电。图3中的模块B，在应用于FF的H1总线时为FF总线本安中继器；应用在Profibus-PA总线时为现场总线安全网桥。它既给现场总线配电，又实现了现场总线的本安防爆。
八 结束语
应用于本安防爆场合的远程I/O品种已经非常丰富，应用实例也已经非常多了。用户结合各自的应用需要，合理选用远程I/O，应当能够找到既节省投资，又安全可靠的应用方案。
|
