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從DCS到OCS:過程控制系統(tǒng)的一次質(zhì)變

http://www.sharifulalam.com 2022-01-07 14:27 來源:和利時(shí)

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——專訪杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司副總裁黃勁松

“ 相比傳統(tǒng)的DCS,采用OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)可以大幅節(jié)省自動(dòng)化系統(tǒng)的投資成本,并大幅縮短項(xiàng)目建設(shè)周期,降低控制系統(tǒng)的維護(hù)成本。”

這是杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司副總裁黃勁松,在筆者對(duì)和利時(shí)新近發(fā)布的OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)做專訪時(shí)給出的回答。

DCS,分布式控制系統(tǒng),自20世紀(jì)70年代誕生以來,憑借其無與倫比的技術(shù)優(yōu)勢,在煉油、石油、化工、電力、冶金等大型過程控制領(lǐng)域已經(jīng)成為了標(biāo)配。正因?yàn)槿绱耍谶^去的三四十年間,DCS 也未發(fā)生大的改變。

如今,技術(shù)飛速發(fā)展,IT、ICT、IoT等新興技術(shù)給全社會(huì)帶來了前所未有的變革。而這一次,光通信技術(shù)和軟件定義被引入到了DCS,DCS進(jìn)化為了OCS,無論是系統(tǒng)架構(gòu),還是控制器和I/O,都發(fā)生了質(zhì)變,從而在項(xiàng)目成本、機(jī)柜間面積和實(shí)施周期等各方面都大大勝過了傳統(tǒng)DCS。

那么什么是OCS?為何能變革傳統(tǒng)的DCS?它用到了哪些創(chuàng)新技術(shù)?能夠?yàn)橛脩魩砟男┖锰帲窟m合于哪些應(yīng)用場合呢?為此,CONTROL ENGINEERING China和黃勁松進(jìn)行了一次深入的訪談。

何為OCS?

和DCS(Distributed Control System)類似,OCS是Industrial Optical Bus Control System的簡稱,中文稱為工業(yè)光總線控制系統(tǒng)。OCS和DCS的最大區(qū)別在于,OCS中采用了光纖作為控制器和I/O之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì),替代一直沿用的銅芯雙絞線電纜。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng),現(xiàn)場設(shè)備的信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)需要經(jīng)過現(xiàn)場接線箱、電纜橋架、端子柜、安全柵 柜、I/O機(jī)柜等一系列中間環(huán)節(jié)才能完成。如圖1所示。而OCS徹底改變了傳統(tǒng)DCS的系統(tǒng)架構(gòu),現(xiàn)場設(shè)備直接通過位于現(xiàn)場的工業(yè)光總線數(shù)據(jù)傳輸單元(iDTU)連接到遠(yuǎn)端的控制器,省卻了一系列的中間環(huán)節(jié)。如圖2所示。

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圖1(上)、圖2(下)

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)主要由工程師站、操作員站、冗余歷史站、設(shè)備管理站、K系列冗余控制站、冗余工業(yè)光總線連接單元(RJU)和工業(yè)光總線智能數(shù)據(jù)傳輸單元(iDTU)等設(shè)備組成,其中從iDTU到RJU及冗余控制站之間都采用光纖進(jìn)行通訊。

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

RJU相當(dāng)于交換機(jī)的作用,每個(gè)RJU可以星形連接16或者32個(gè)iDTU,而且采用無源光學(xué)器件技術(shù),物理iDTU用于連接現(xiàn)場設(shè)備,并通過Onet工業(yè)光總線與控制站進(jìn)行通訊。

iDTU采用模塊化設(shè)計(jì),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、AO、DI、DO、PI、Namur六種信號(hào)類型。iDTU還支持Modbus通訊協(xié)議,可以作為Modbus從站將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至與第三方系統(tǒng)。

OCS有哪些技術(shù)上的創(chuàng)新?

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)當(dāng)然不只是用光纖替代原先的銅制線纜這么簡單,事實(shí)上,它在現(xiàn)場信號(hào)輸入/輸出和傳輸環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新,已經(jīng)取得了6項(xiàng)發(fā)明專利。黃勁松介紹說,OCS在技術(shù)上主要突破了工業(yè)光總線和軟件定義I/O兩大技術(shù)。

工業(yè)光總線是和利時(shí)在OCS上的一次技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用。盡管利用光纖來傳輸以太網(wǎng)協(xié)議的技術(shù)已經(jīng)十分成熟,但在光纖上傳輸工業(yè)總線協(xié)議仍然要克服很多技術(shù)上的難題。和利時(shí)利用其多年在DCS上的控制網(wǎng)絡(luò) Cnet積累的技術(shù)基礎(chǔ),開發(fā)了基于光通信的Onet冗余工業(yè)光總線。和以太網(wǎng)的7層架構(gòu)不同,Onet只有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和協(xié)議層這三層,這種簡潔的層次大大提高了傳輸?shù)男省net符合IEC 61158國際標(biāo)準(zhǔn)、JB/T 10308.3-2001國標(biāo)和EN50170歐標(biāo)的要求,支持星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),支持128個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備,通訊速率 24Mbps,傳輸介質(zhì)為單模光纖,傳輸距離20千米(無中繼)。

軟件定義I/O在DCS領(lǐng)域是近年來興起的技術(shù),和利時(shí)其實(shí)在此領(lǐng)域早有準(zhǔn)備。軟件定義I/O體現(xiàn)在兩個(gè)方面,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(hào)配置不同的I/O模塊,只需要通過軟件將通道設(shè)置為與現(xiàn)場儀表輸出相同的信號(hào)類型即可。另外一種是通過軟件來切換備用通道,也就是N+1的通道冗余模式。當(dāng)I/O通道出現(xiàn)故障時(shí),只需要在工程師站上進(jìn)行軟件切換,將故障的通道切換到備用通道即可,無需維護(hù)人員到達(dá)故障現(xiàn)場。

OCS能夠帶來哪些好處?

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)在技術(shù)上的一個(gè)個(gè)創(chuàng)新,給傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)帶來根本性的變革,當(dāng)然也給用戶帶來了眾多的好處。

第一,OCS帶來了項(xiàng)目初期成本的大幅降低。一方面,由于在控制站與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元之間采用光纖通信,大大節(jié)省了原本昂貴的儀表電纜的使用量,同時(shí)也降低了電纜橋架等中間環(huán)節(jié)的成本,而且采用的是工業(yè)光總線技術(shù),相比利用基于以太網(wǎng)的光纖傳輸,成本更為節(jié)省。另一方面,由于省去許多中間環(huán)節(jié),控制系統(tǒng)的后期維護(hù)成本以及備品備件的成本也可以大幅降低。

第二,OCS的項(xiàng)目實(shí)施周期可以大幅縮短。一方面得益于OCS簡化的系統(tǒng)架構(gòu),大大減少了施工量,一方面得益于軟件定義I/O技術(shù),消除了傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中的現(xiàn)場設(shè)備和控制器之間的信號(hào)編排(Marshalling)環(huán)節(jié),從而縮短項(xiàng)目執(zhí)行周期。另外,標(biāo)準(zhǔn)化工程設(shè)計(jì),簡化了設(shè)計(jì)院工作流程,模塊化的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱設(shè)計(jì),縮短廠商供貨交付周期,到貨即可實(shí)施現(xiàn)場指導(dǎo)及安裝,最終實(shí)現(xiàn)用戶、設(shè)計(jì)院和廠商的三方共贏。

第三,系統(tǒng)的可靠性更高。工業(yè)光總線的應(yīng)用在提高現(xiàn)場信號(hào)傳輸過程中抗電磁干擾能力和防雷擊能力上表現(xiàn)優(yōu)越,且一根光纖可以傳輸至少512路現(xiàn)場信號(hào),無需中繼的情況下傳輸距離長達(dá)20千米,更為重要的是,可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號(hào)的冗余傳輸,傳輸效率更高、可用性更強(qiáng)。

OCS在系統(tǒng)的高可用性方面有哪些專門設(shè)計(jì)?

對(duì)于用戶來說,除了成本等因素外,系統(tǒng)的可用性是最重要的,畢竟過程控制系統(tǒng)往往都是應(yīng)用在石化、化工等對(duì)連續(xù)生產(chǎn)要求很高的關(guān)鍵應(yīng)用場合。那么,OCS在系統(tǒng)的可用性和可靠性方面有哪些專門的設(shè)計(jì)呢?

黃勁松對(duì)此表示,OCS在Onet工業(yè)光總線和RJU、iDTU上都針對(duì)可靠性有專門的設(shè)計(jì)。

在Onet光總線通訊上,從控制器到iDTU之間都采用冗余設(shè)計(jì),不但保證了主備控制器之間能夠快速切換,而且整個(gè)光總線鏈路具有實(shí)時(shí)診斷功能,能保證通訊的可靠性和確定性。

最為重要的是,iDTU專門針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場惡劣苛刻的環(huán)境進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì)。iDTU支持-40℃~+85℃寬溫工作溫度,滿足-40℃~+70℃危險(xiǎn)環(huán)境的防爆使用要求,并且具有溫度及濕度監(jiān)測功能,支持I/O通道狀態(tài)診斷。iDTU整體還通過了EMC 3A級(jí)、IEC/ATEX/GB無火花增安防爆(1類2區(qū))、IP66防護(hù)等級(jí)、氣密性 NR設(shè)計(jì)、G3防腐等級(jí)、CCC及CE等國際國內(nèi)體系認(rèn)證。這一點(diǎn)對(duì)于整個(gè)OCS的可用性是至關(guān)重要的一個(gè)技術(shù)突破。

OCS如何保證系統(tǒng)的安全性?

工控系統(tǒng)的信息安全面臨著越來越嚴(yán)峻的考驗(yàn),APT攻擊行動(dòng)高發(fā),勒索病毒技術(shù)手段不斷升級(jí),歷史重大漏洞利用問題嚴(yán)重,那OCS在信息安全方面有什么獨(dú)特之處呢?黃勁松表示OCS已經(jīng)將最新的信息安全技術(shù)——可信計(jì)算技術(shù)植入到了控制系統(tǒng)之中。

在OCS的K系列控制器中已經(jīng)融入了可信計(jì)算技術(shù),不同于傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的防火墻、縱深防御等信息安全的被動(dòng)防御機(jī)制,可信計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于內(nèi)生安全的主動(dòng)免疫機(jī)制。據(jù)黃勁松透露,K系列控制器采用高性能主處理器及基于國密算法的協(xié)處理器,做到了靜態(tài)可信啟動(dòng)、動(dòng)態(tài)可信度量和固件更新可信等三項(xiàng)信息安全防御策略。

OCS有沒有一些應(yīng)用實(shí)踐?效果如何?

毫無疑問,一個(gè)新的控制系統(tǒng)是否能夠應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場,最重要的是需要經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐的驗(yàn)證。這一點(diǎn)也受到了和利時(shí)的重視,在OCS的研發(fā)過程中,和利時(shí)攜手設(shè)計(jì)院一起邊實(shí)踐邊研發(fā),截止到目前,OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)十個(gè)工業(yè)現(xiàn)場得到了成功應(yīng)用。

黃勁松舉例說,山東某精細(xì)化工企業(yè)2021年根據(jù)安監(jiān)局要求,將原有存在安全隱患的現(xiàn)場機(jī)柜間搬遷到遠(yuǎn)離生產(chǎn)裝置的安全位置,由于產(chǎn)品銷售行情好,加上安監(jiān)局要求限期整改,用戶急需在最短的時(shí)間周期內(nèi)完成改造工作。面對(duì)緊張的改造周期,和利時(shí)的OCS系統(tǒng)方案以其工程量小、安裝部署方便的特點(diǎn)得到了用戶認(rèn)可,用戶最終選擇了OCS系統(tǒng)進(jìn)行原有自動(dòng)化系統(tǒng)的改造。6月底工廠裝置停工開始改造,不到2個(gè)月時(shí)間完成了現(xiàn)場改造的全部工作,于8月順利投入正常運(yùn)行,受到了用戶的一致好評(píng)。

OCS的未來將如何發(fā)展?

OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)的推出,可謂是我國自動(dòng)化廠商在過程控制系統(tǒng)領(lǐng)域走向全球領(lǐng)先水平的重要一步。盡管一些國際廠商通過光纖來傳輸現(xiàn)場信號(hào)減少布線已經(jīng)應(yīng)用多年,但和利時(shí)的OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)在成本、可用性、維護(hù)性和安全性方面更勝一籌。因此,在黃勁松看來,在目前我國大力發(fā)展自主可控、安全可信的關(guān)鍵工業(yè)技術(shù)這一歷史時(shí)期,OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)的誕生無疑成為了我國廣大石化、化工、石油天然氣、液化天然氣和城市燃?xì)獾刃袠I(yè)用戶的最佳選擇之一。

黃勁松也表示,除了下一步將在這些行業(yè)大力應(yīng)用推廣之外,和利時(shí)將繼續(xù)保持自主創(chuàng)新,不斷豐富基于工業(yè)光總線的產(chǎn)品方案。

時(shí)代的發(fā)展?jié)L滾向前,順勢而為才不會(huì)被時(shí)代所淘汰。盡管未來充滿不確定性,但我們可以確信,從DCS 到OCS不僅僅是一次技術(shù)上的質(zhì)變,更是時(shí)代發(fā)展的潮流,OCS取代傳統(tǒng)的DCS或許指日可待。

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