導讀：OCS工業光總線控制系統將工業光總線技術和軟件定義I/O技術應用于流程工業控制領域，實現了工業現場信號輸入/輸出和傳輸環節的技術創新，可以顯著降低用戶的項目建設成本（CAPEX）和運營成本（OPEX），簡化自動化系統的工程設計，同時大幅縮短項目的建設時間。1

引言

眾所周知，自動化系統在流程行業被稱為工業大腦，因此系統的設計、施工、調試和投運都是重點關注的部分，自動化系統的整體架構以及現場信號的有效傳輸都是工程設計的重中之重。在自動化系統的傳統設計中，現場設備（如儀表、控制閥等）是通過銅制的儀表電纜和控制系統進行連接，但是，由于技術的限制，在實際的工程應用中，這個看似簡單的連接過程，還需要有額外的工程設計才能實現，現場設備的信號傳輸到控制系統需要經過現場接線箱、電纜橋架、端子柜（對于本安設計的儀表系統還需要有安全柵柜）、I/O機柜等一系列中間環節才能完成。由于現場設備的信號類型種類繁多，所以在控制系統的設計中，還需要考慮配置相應種類的I/O模塊，才能實現現場信號有效地接入到控制器。這種傳統的方式會大幅增加用戶的項目成本，影響項目的快速交付，同時增加控制系統備品備件的成本，項目建設過程中的設計變更以及投運后的項目改造也會變得很麻煩。另一方面，長期沿用的基于銅制儀表電纜傳輸弱電模擬信號的方式，存在信號容易受到干擾、傳輸效率低（一根儀表電纜只能傳輸一路現場信號）、無法實現冗余等諸多不利因素。OCS工業光總線控制系統融合了工業光總線技術和軟件定義I/O技術，可以從根本上解決上文所說的所有問題。首先軟件定義I/O技術的使用，可以僅用一種I/O模塊，通過軟件定義的方式來改變每個I/O通道的信號類型，從而適配于不同信號類型的現場設備（儀表或控制閥），這意味著可以從根本上消除傳統工程設計中的現場設備和控制器之間的信號編排（Marshalling）環節，與之相對應的端子柜和繁瑣的接線工作量也就不復存在了，可以降低項目成本并縮短施工周期。其次，工業光總線的應用可以提高現場信號在傳輸過程中的抗電磁干擾的能力和防雷擊的能力，而且一根光纖可以傳輸至少512路現場信號，提高傳輸效率。更為重要的是，可以實現現場信號的冗余傳輸，光纖的敷設可以采用“一天一地”的方式，以進一步實現信號傳輸環節的高可用性，而且還可以大幅減少電纜橋架的數量和繁重的施工量。總體而言，OCS工業光總線控制系統可以徹底簡化從現場設備到控制器之間的工程設計，可以實現標準化的工程交付，縮短項目建設周期，并大量節省項目投資和運行過程中的維護成本。可以節省自動化系統的總成本30%以上，減少機柜間面積70%以上，縮短項目周期50%以上，節省I/O模塊備品備件30%以上，并大幅降低項目建設過程中的施工量和控制系統的維護成本。2

OCS系統說明

OCS工業光總線控制系統主要由工程師站、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，系統結構如圖1所示。圖1OCS系統結構圖（1）工程師站用于完成系統組態、修改及下裝，包括數據庫、圖形、控制算法、報表的組態、過程參數的配置、操作員站、現場控制站及iDTU的配置組態、數據下裝和增量下裝等。

（2）操作員站用于進行生產現場的監視和控制，包括系統數據的集中管理和監視、工藝流程圖顯示、報表打印、控制操作、歷史趨勢顯示、日志和報警的記錄和管理等。（3）冗余歷史站用于完成系統歷史數據的采集、存儲與歸檔服務，以及與工廠管理網絡信息交換等。（4）設備管理站用于對現場智能儀表的管理以及遠程診斷、遠程調試等，實現預測性維護。（5）冗余控制站（K系列）用于完成現場信號采集、控制和聯鎖保護，通過系統網絡將數據和診斷結果上傳到操作員站等功能。（6）工業光總線智能數據傳輸單元（iDTU）iDTU用于與現場設備連接，實現信號輸入/輸出與轉換、工程單位變換、模塊和通道級故障診斷，通過冗余的工業光總線與冗余控制站通訊。OCS工業光總線控制系統主要面向流程行業中超大型項目的應用需求，可以適用于DCS和SCADA的應用場合，其主要性能指標如圖2所示。圖2OCS系統性能指標3

K系列冗余控制站

控制器是整個控制系統的核心，在現場應用必須有冗余機制。目前業界普遍采用備份冗余的工作模式，一臺控制器工作時、另外一臺控制器熱備工作。一旦工作控制器出現故障，熱備控制器需要馬上完成冗余切換，接管控制任務。控制器冗余切換要做到完全無擾，最關鍵就在于控制器的冗余切換，作為運行IEC邏輯指令的控制器來說，必須保證主從控制器運算指令（程序）、運算數據、運算節拍一致，才能保證運算的結果一致，從而在控制器冗余切換過程中實現完全無擾。OCS工業光總線控制系統的控制器采用三重冗余鏈路，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。控制器冗余通訊鏈路如圖3所示。圖3OCS控制器冗余通信鏈路示意圖OCS工業光總線控制系統的控制器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%，分析如下：其它系統控制器冗余切換功能的平均無故障時間：MTBF冗余1=MTBF×(1+1/2)

OCS控制器冗余切換功能的平均無故障時間：MTBF冗余2=MTBF×(1+1/2+1/3)OCS控制器冗余機制相對于普通控制器冗余機制在冗余切換功能平均無故障時間方面的提升=（MTBF冗余2-MTBF冗余1）/MTBF冗余1=22.2%。注：假設冗余以太網、GPIO和485鏈路故障率相同，其平均無故障時間為MTBF。K系列控制器在設計中還融入了可信計算技術，區別于傳統工業控制系統被動的信息安全防御機制，K系列控制器建立了基于內生安全的主動免疫機制。在系統啟動階段，構建了雙體系架構的可信鏈傳遞模型，確保可信啟動，在運行過程中，建立動態度量模型，確保控制系統運行環境安全可信，K系列控制器采用的嵌入式可信計算雙體系架構如圖4所示。圖4嵌入式可信計算雙體系架構K系列控制器采用主流廣泛使用的高性能主處理器及基于國密算法的協處理器，產品遵循《IEC62443-3工業過程測量、控制和自動化網絡與系統信息安全》標準，構建了三項信息安全防御策略如圖5所示。圖5三項防護策略4

Onet冗余工業光總線

Onet冗余工業光總線用于實現控制站與iDTU之間的通訊，符合IEC61158國際標準、JB/T10308.3-2001國標和EN50170歐標的要求。Onet支持星形網絡拓撲結構，支持128個節點設備，通訊速率24Mbps，傳輸介質為單模光纖，傳輸距離20km（無中繼）。Onet冗余工業光總線符合ISO7層協議中的物理層和數據鏈路層的規范。如圖6所示。圖6Onet工業光總線網絡模型與標準ISO網絡模型對應關系控制站與iDTU通過工業光總線連接模塊（JCN）進行連接，每個JCN提供1個上行端口（用于連接控制器）和16/32個下行端口（用于連接iDTU），每個光纖端口采用ST卡接式圓形接口，以保證牢固穩定的連接。JCN可以安裝在0區爆炸環境。Onet采用分時復用技術完成控制站與iDTU之間的通訊。在通信時，T1時間內控制器與1號iDTU進行通訊，T2時間內控制器與2號iDTU進行通訊，依此順序完成全部通訊，通訊示意圖如圖7所示。圖7Onet通訊示意圖Onet工業光總線技術解決了控制器與現場設備的通訊瓶頸問題，可將iDTU分散式安裝在現場工作，盡可能將iDTU放置于現場儀表周圍，使用JCN完成控制器與iDTU之間的連接，如此既可以減少電纜的長度和用量，也可以減少電纜傳輸中的干擾與衰減。JCN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。5工業光總線智能數據傳輸單元（iDTU）iDTU用于連接現場設備（儀表、控制閥等），并通過Onet工業光總線與控制站進行通訊。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。冗余的VIO模塊用于現場信號的輸入/輸出，冗余的光總線接口模塊用于iDTU與JCN進行光纖連接，冗余的電源模塊用于將外部提供的兩路220VAC冗余供電轉換為冗余穩定的24VDC控制電源。對于本安設計的儀表系統而言，安全柵可以直接插在VIO模塊的底板上，而無需進行額外的接線。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。5.1VIO模塊VIO模塊用于完成對現場設備的信號輸入/輸出功能，支持冗余配置。每個模塊支持16路輸入/輸出通道，具備通道間隔離功能，220VAC串入僅影響1通道。每個通道支持的I/O信號類型可以通過工程師站靈活設置，VIO模塊支持的信號類型包括：·

AI（4~20mA輸入/24VDC、HART、2線制/4線制）·

AO（4~20mA輸出/24VDC、HART）·

DI（干接點/24VDC/SOE）·DI（Namur）·

DO（24VDC）

·

PI（0.1Hz~10kHz）

5.2VIO模塊的冗余模式為了保證現場設備應用中的計劃性維護，OCS系統中的VIO模塊支持主備冗余和N+1冗余兩種冗余形式，N+1冗余是指在原有N個采集通道上增加一個備用的采集通道，當模塊中的任意通道故障后備用通道可以替換已故障的通道。在對成本敏感的項目中通常采用非冗余配置，OCS系統中數據傳輸單元放置于現場，使用中設備故障可能無法立即維修，此種情況下成本敏感項目可以采用N+1的冗余形式，既保證系統的可維護性又保證成本上升不明顯。對于要求高可靠性應用的場景可以采用主備冗余配置，來提高控制的可靠性和可用性。iDTU中的VIO模塊的冗余模式如圖8所示。圖8iDTU中的VIO模塊的冗余模式5.3軟件定義I/O功能OCS工業光總線控制系統更注重軟件定義硬件，這主要體現在兩個方面，一是通過軟件來定義VIO模塊每個通道的輸入/輸出信號類型，使之與現場設備（儀表或控制閥等）的信號類型保持一致。系統通過獲取軟件的設置信息來處理每個I/O通道的數據并進行邏輯運算。此種方式打破了傳統的由硬件決定軟件的模式。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。將故障的通道切換為備用通道進行使用，這樣就解決了偏遠現場人員無法抵達現場及時處理通道故障的問題，全過程只需要在工程師站上進行軟件切換即可，省時省力并且能夠快捷地處理通道故障。軟件定義I/O通道輸入/輸出信號類型如圖9所示。圖9軟件定義I/O通道輸入/輸出信號類型5.4環境適應性iDTU工業光總線智能數據傳輸單元專門針對工業現場惡劣苛刻的環境進行了適應性設計。iDTU支持-40~+85℃寬溫工作溫度、-25~+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。為了保證整個單元在現場安全、穩定、高效地運行，iDTU整體還通過以下系統認證：EMC3A級、IECATEX/GB無火花增安防爆、IP66防護等級，氣密性NR設計、G3防腐等級、CCC、CE等國際國內體系認證。6

最佳項目實踐

在實際現場應用的工程設計中，iDTU支持1類2區的防爆要求，可以安裝在生產現場盡量靠近現場設備（儀表、控制閥）的位置，就近實現現場信號的輸入/輸出，iDTU同時也支持基于PROFIBUS和Modbus通訊的現場設備的連接。iDTU通過冗余光纖將現場信號傳輸到冗余光總線連接單元（RJU），一臺RJU支持以星型網絡結構的方式連接16/32臺iDTU，RJU支持0區的防爆要求，也可以安裝在生產現場盡量靠近iDTU的位置，RJU通過冗余光纖（可以根據現場要求，采用“一天一地”的敷設方式）將來自iDTU的現場信號傳輸到中央控制室的機柜間，通過冗余光總線接口模塊與冗余控制站連接，如圖10所示。圖10OCS的現場應用OCS可以極大簡化自動化系統中現場信號在輸入/輸出和傳輸環節的工程設計。傳統控制系統的工程設計中，在現場設備至控制器之間需要考慮多個環節，而采用OCS工業光總線控制系統，可以直接用iDTU取代傳統控制系統的工程設計中的現場接線箱，其工程設計會簡化很多，如圖11所示。圖11OCS工業光總線系統的工程設計由此可見，OCS徹底消除了傳統自動化系統工程設計中的“信號編排（Marshalling）”環節，所以機柜間機柜的數量可以大幅減少。現場信號從現場到中控室機柜間通過光纜傳輸，由于光纜的傳輸效率更高（一根光纜可以傳輸512路現場信號），信號傳輸環節的成本也會大幅減少，而且OCS還能提供高可用性的冗余傳輸方式。在項目的工程實施階段，OCS工業光總線控制系統由于能夠實現標準化生產，工程項目的實施周期可以大大縮短，傳統項目需要硬件設計、機柜設計、機柜成套、FAT等幾個步驟，一般需要1~6個月的周期，采用OCS后所有數據傳輸單元都是標準化產品且通道可以任意組態，因此只要有測點數量就可直接到現場安裝，項目建設周期節約1~6個月。如圖12所示。圖12OCS系統縮短項目周期對于項目建設過程中的設計變更或者后續的改造擴容，OCS也顯示出了良好的適應性，新增的現場設備只需要在就近的iDTU中尋找空余的I/O通道即可，或者安裝一臺新的iDTU來接入新增的現場信號。即便是原有測點的信號類型發生了改變，也只需要在工程師站通過軟件更改即可，相比傳統控制系統的擴容改造，OCS顯然可以大幅減少工作量。7

現場應用

山東某精細化工企業2021年根據安監要求安全換證進行裝置改造，6月20日簽訂控制系