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摘 要：针对远程I/O技术在安阳钢铁股份有限公司第一炼轧厂除尘系统中的应用，介绍了远程I/O系统的环形网络构建方法及其优点。项目采用图尔克BL67远程I/O系统新技术，从可靠性、经济性、功能三个方面与传统控制方式进行了对比，最终证明使用以图尔克BL67技术为架构的远程I/O系统，能够降低工程造价，节约投资，提高整个系统的稳定性、灵活性与自动化水平。
关键词：远程I/O技术;除尘系统;PLC;图尔克
0 引言
当前，国家环保形势严峻，政策要求日趋严格，2019年8月，生态环境部印发《关于加强重污染天气应对夯实应急减排措施的指导意见》，对钢铁、焦化等15个行业实行A、B、C三级绩效分级，明确只有A级企业才可自主减排。在严峻的环保形势下，我厂所处区域位置敏感，集团号召我厂逐步完善环保系统。远程I/O是相对于传统集中式I/O而言的，以前的控制方式都是控制器直接带I/O设备，也就是说I/O设备常常离控制室很近，比如放在控制室内。后来提出的分布式I/O设备，即将传统的控制方式分散化，将I/O设备放到现场，通过现场总线采集信号并传递控制命令。我厂的除尘系统主控部分设置在厂房之外，而许多除尘阀门及移动罩却在不同的生产车间，离控制中心有数百米距离。而采用远程I/O技术能够降低人工成本，提高自动化程度，为后期DCS系统的建立创造条件。
1 I/O网络构建
本次除尘系统建设包括两个老系统C3、C4，两个新系统C1、C2。其中C1为电炉车间厂房除尘系统，C2为1#LF炉及板坯连铸机除尘系统，C3为转炉车间厂房除尘系统，C4为2#LF炉及方坯连铸机除尘系统。除尘系统还需与生产设备主体发生必要通信，故必须将网络设计为复杂的分布式网络拓扑才能满足要求。
1.1 主网络构建
第一炼轧厂除尘系统主要服务于两套冶炼系统、两台连铸机及一条轧钢生产线。其中转炉系统中的主要自动化系统构成为西门子S7-400系列，电炉系统主要为罗克韦尔AB-1756系列，方坯连铸机自动化系统主要是西门子S7-300系列，板坯连铸系统主要是早期的西门子S5系列，轧钢系统则是PCS7架构的自动化控制系统。现场结构极其复杂，相互之间交换数据难度较大。一炼轧主网络系统如图1所示。
1.2 I/O环网构建
PLC之间通信、PLC与I/O通信、PLC与外围设备通信由独立网卡完成。现场总线采用可靠的光纤环网拓扑结构。C1、C2系统网络如图2所示。
这种网络结构的优点是：
（1）链路自动冗余备份，能自动协商到达最近节点的路径，如果一处线路损坏，网络拓扑重新配置，达到正常网络状态只需50 ms。
（2）具有较高的带宽，环网传输带宽为100 Mb/s，同时采用新的多数据处理技术，使得网络在重负荷情况下仍能保持很高的带宽。
（3）可靠性高，环型结构在网络出现故障时仍能自行重构，保证系统安全可靠，同时传输光纤对电磁和射频干扰具有抑制能力，在传输过程中不受电磁和射频噪声的影响，也不影响其他设备。由于光纤传输的是光信号，两端的电源相对隔离，所以有效消除了光纤两端电源和地线对设备可能造成的严重威胁。
2 图尔克技术
作为传感器、现场总线、接插件、接口技术及人机界面（HMI）和RFID系统领域的专家，图尔克为工厂及过程自动化提供高效的解决方案。图尔克凭借先进的技术设备，可以快速而灵活地应对各种现场需求。因此，选择使用其中的BL67模块化现场总线I/O系统。
BL67系列产品是为实现IP67解决方案而专门设计，不必再将产品安装于隔离的机柜内。BL67采用开放式、模块化设计，充分体现了可灵活扩展的特点。BL67网关使得I/O模块独立于所使用的总线类型，支持PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、PROFIBUS-DP、CANopen和DeviceNetTM等协议。BL67系列电子模块支持热插拔，方便在运行过程中更换模块。该网关支持数字量、模拟量、温度、RS232、SSI、CANopen接口等。通过选择不同的底板可选择M8、M12、M23或7/8"连接器，形式多种多样，为复杂现场提供了设计选型上的便利。
2.1 西门子PROFINET I/O
在以西门子自动化设备为主的除尘系统中现场远程I/O可以两种方式组态。第一种方式以Modbus TCP通信协议将远程I/O站组态至WinCC当中，第二种方式可将远程I/O站组态至西门子自动化系统中作为PROFINET I/O站存在。为了实现这一功能，选用了图尔克公司的BL67-GW-EN网关。该网关具备IP67的防护等级，多协议支持，如Modbus TCP、EtherNet/IP和PROFINET。
2.2 罗克韦尔AB Ethernet/IP I/O
在以罗克韦尔AB自动化设备为主的除尘系统中，BL67-GW-EN网关能够支持罗克韦尔AB的EtherNet/IP，并且此款网关支持EtherNet/IP的网络快速连接（faststartup）功能。在罗克韦尔AB的ControlLogix系统下进行组态与删除并不用重启系统，这对于现场的调试来说提供了很大的便利。
3 远程I/O技术与传统方式对比
远程I/O系统与传统的远程控制相比，具有更强的环境适应能力，抗干扰、易诊断，施工成本低，具有较强的功能扩展空间。
3.1 可靠性对比
采用图尔克的BL67系列产品，对环境温度来讲可以达到-40～70 ℃，其防护等级达到IP67防尘防水，在一般的恶劣环境下都能够适应。由于现场设备的I/O信号检测点距离集中控制中心较远，不但电缆用量很大，而且路径周边环境复杂，在较长的信号传输过程中非常容易受到現场强电的电磁干扰，严重影响系统运行。采用远程I/O技术，各种信号可接入就近的I/O站点，由I/O远程站通过光缆直接将信号传输至集中控制中心，完全避免了线路中的强电磁干扰。远程I/O为以太网数字化传输，拥有系统自诊断功能及较强的组态能力，运行维护简单方便，为将来功能扩展提供了便利。
3.2 经济性对比
对于PLC系统来说，集中控制与分散I/O控制，在信号通道点数确定的情况下设备采购费用并无太大差别。但传统方案需要的电缆数量巨大，每个信号需要2芯1.5 mm2信号电缆，然而远程I/O技术只需要一根光缆及相应的光电交换机即可，所需电缆可忽略不计。传统方案信号线路径中的桥架管线以及相关的土建施工等费用更是无法估量，距离越长，站点越多，采用远程I/O技术节约的资金量越大，综合经济效应显著。
3.3 功能性对比
工业级的现场总线必须符合国家标准《工业通信网络 现场总线规范 类型23：CC-Link IE规范》（GB/T 33537.1～3—2017），因此在国标下构建现场总线，只要符合该标准的现场总线产品，都能够对整个系统提供支持，从而可以将不同厂商的自动化系统集成在一个总线控制系统中，结合不同厂家的优点进行设计，提高系统的自动化程度、执行效率及稳定性。
现场总线方式对于施工及土建要求极低，完全可以消除因为I/O信号电缆长度较长、环境较差而产生的信息孤岛，甚至可以采用一些较为稳定的工业无线技术进一步扩展系统。
4 结语
一炼轧除尘系统中应用的现场总线方案及图尔克BL67的高防护等级远程技术，能明显降低工程造价，节约投资，提高整个系统的稳定性与自动化水平，减少大量土建施工，加快工程进度，并有效节约整个系统的整体联动调试时间，对整个基建工程有着实质性的意义。远程I/O技术在经济性、可靠性及功能扩展方面皆有出色表现，必将成为自动化建设的主流。
[参考文献]
[1] 可编程序控制器 第1部分：通用信息：GB/T 15969.1—2007[S].
[2] 可编程序控制器 第5部分：通信：GB/T 15969.5—2002[S].
[3] 工业通信网络 现场总线规范 类型23：CC-Link IE规范：GB/T 33537.1～3—2017[S].
收稿日期：2021-04-13
作者简介：王保飞（1981—），男，河南安阳人，电气工程师，研究方向：电气自动化。
关键词：远程I/O技术;除尘系统;PLC;图尔克
0 引言
当前，国家环保形势严峻，政策要求日趋严格，2019年8月，生态环境部印发《关于加强重污染天气应对夯实应急减排措施的指导意见》，对钢铁、焦化等15个行业实行A、B、C三级绩效分级，明确只有A级企业才可自主减排。在严峻的环保形势下，我厂所处区域位置敏感，集团号召我厂逐步完善环保系统。远程I/O是相对于传统集中式I/O而言的，以前的控制方式都是控制器直接带I/O设备，也就是说I/O设备常常离控制室很近，比如放在控制室内。后来提出的分布式I/O设备，即将传统的控制方式分散化，将I/O设备放到现场，通过现场总线采集信号并传递控制命令。我厂的除尘系统主控部分设置在厂房之外，而许多除尘阀门及移动罩却在不同的生产车间，离控制中心有数百米距离。而采用远程I/O技术能够降低人工成本，提高自动化程度，为后期DCS系统的建立创造条件。
1 I/O网络构建
本次除尘系统建设包括两个老系统C3、C4，两个新系统C1、C2。其中C1为电炉车间厂房除尘系统，C2为1#LF炉及板坯连铸机除尘系统，C3为转炉车间厂房除尘系统，C4为2#LF炉及方坯连铸机除尘系统。除尘系统还需与生产设备主体发生必要通信，故必须将网络设计为复杂的分布式网络拓扑才能满足要求。
1.1 主网络构建
第一炼轧厂除尘系统主要服务于两套冶炼系统、两台连铸机及一条轧钢生产线。其中转炉系统中的主要自动化系统构成为西门子S7-400系列，电炉系统主要为罗克韦尔AB-1756系列，方坯连铸机自动化系统主要是西门子S7-300系列，板坯连铸系统主要是早期的西门子S5系列，轧钢系统则是PCS7架构的自动化控制系统。现场结构极其复杂，相互之间交换数据难度较大。一炼轧主网络系统如图1所示。
1.2 I/O环网构建
PLC之间通信、PLC与I/O通信、PLC与外围设备通信由独立网卡完成。现场总线采用可靠的光纤环网拓扑结构。C1、C2系统网络如图2所示。
这种网络结构的优点是：
（1）链路自动冗余备份，能自动协商到达最近节点的路径，如果一处线路损坏，网络拓扑重新配置，达到正常网络状态只需50 ms。
（2）具有较高的带宽，环网传输带宽为100 Mb/s，同时采用新的多数据处理技术，使得网络在重负荷情况下仍能保持很高的带宽。
（3）可靠性高，环型结构在网络出现故障时仍能自行重构，保证系统安全可靠，同时传输光纤对电磁和射频干扰具有抑制能力，在传输过程中不受电磁和射频噪声的影响，也不影响其他设备。由于光纤传输的是光信号，两端的电源相对隔离，所以有效消除了光纤两端电源和地线对设备可能造成的严重威胁。
2 图尔克技术
作为传感器、现场总线、接插件、接口技术及人机界面（HMI）和RFID系统领域的专家，图尔克为工厂及过程自动化提供高效的解决方案。图尔克凭借先进的技术设备，可以快速而灵活地应对各种现场需求。因此，选择使用其中的BL67模块化现场总线I/O系统。
BL67系列产品是为实现IP67解决方案而专门设计，不必再将产品安装于隔离的机柜内。BL67采用开放式、模块化设计，充分体现了可灵活扩展的特点。BL67网关使得I/O模块独立于所使用的总线类型，支持PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、PROFIBUS-DP、CANopen和DeviceNetTM等协议。BL67系列电子模块支持热插拔，方便在运行过程中更换模块。该网关支持数字量、模拟量、温度、RS232、SSI、CANopen接口等。通过选择不同的底板可选择M8、M12、M23或7/8"连接器，形式多种多样，为复杂现场提供了设计选型上的便利。
2.1 西门子PROFINET I/O
在以西门子自动化设备为主的除尘系统中现场远程I/O可以两种方式组态。第一种方式以Modbus TCP通信协议将远程I/O站组态至WinCC当中，第二种方式可将远程I/O站组态至西门子自动化系统中作为PROFINET I/O站存在。为了实现这一功能，选用了图尔克公司的BL67-GW-EN网关。该网关具备IP67的防护等级，多协议支持，如Modbus TCP、EtherNet/IP和PROFINET。
2.2 罗克韦尔AB Ethernet/IP I/O
在以罗克韦尔AB自动化设备为主的除尘系统中，BL67-GW-EN网关能够支持罗克韦尔AB的EtherNet/IP，并且此款网关支持EtherNet/IP的网络快速连接（faststartup）功能。在罗克韦尔AB的ControlLogix系统下进行组态与删除并不用重启系统，这对于现场的调试来说提供了很大的便利。
3 远程I/O技术与传统方式对比
远程I/O系统与传统的远程控制相比，具有更强的环境适应能力，抗干扰、易诊断，施工成本低，具有较强的功能扩展空间。
3.1 可靠性对比
采用图尔克的BL67系列产品，对环境温度来讲可以达到-40～70 ℃，其防护等级达到IP67防尘防水，在一般的恶劣环境下都能够适应。由于现场设备的I/O信号检测点距离集中控制中心较远，不但电缆用量很大，而且路径周边环境复杂，在较长的信号传输过程中非常容易受到現场强电的电磁干扰，严重影响系统运行。采用远程I/O技术，各种信号可接入就近的I/O站点，由I/O远程站通过光缆直接将信号传输至集中控制中心，完全避免了线路中的强电磁干扰。远程I/O为以太网数字化传输，拥有系统自诊断功能及较强的组态能力，运行维护简单方便，为将来功能扩展提供了便利。
3.2 经济性对比
对于PLC系统来说，集中控制与分散I/O控制，在信号通道点数确定的情况下设备采购费用并无太大差别。但传统方案需要的电缆数量巨大，每个信号需要2芯1.5 mm2信号电缆，然而远程I/O技术只需要一根光缆及相应的光电交换机即可，所需电缆可忽略不计。传统方案信号线路径中的桥架管线以及相关的土建施工等费用更是无法估量，距离越长，站点越多，采用远程I/O技术节约的资金量越大，综合经济效应显著。
3.3 功能性对比
工业级的现场总线必须符合国家标准《工业通信网络 现场总线规范 类型23：CC-Link IE规范》（GB/T 33537.1～3—2017），因此在国标下构建现场总线，只要符合该标准的现场总线产品，都能够对整个系统提供支持，从而可以将不同厂商的自动化系统集成在一个总线控制系统中，结合不同厂家的优点进行设计，提高系统的自动化程度、执行效率及稳定性。
现场总线方式对于施工及土建要求极低，完全可以消除因为I/O信号电缆长度较长、环境较差而产生的信息孤岛，甚至可以采用一些较为稳定的工业无线技术进一步扩展系统。
4 结语
一炼轧除尘系统中应用的现场总线方案及图尔克BL67的高防护等级远程技术，能明显降低工程造价，节约投资，提高整个系统的稳定性与自动化水平，减少大量土建施工，加快工程进度，并有效节约整个系统的整体联动调试时间，对整个基建工程有着实质性的意义。远程I/O技术在经济性、可靠性及功能扩展方面皆有出色表现，必将成为自动化建设的主流。
[参考文献]
[1] 可编程序控制器 第1部分：通用信息：GB/T 15969.1—2007[S].
[2] 可编程序控制器 第5部分：通信：GB/T 15969.5—2002[S].
[3] 工业通信网络 现场总线规范 类型23：CC-Link IE规范：GB/T 33537.1～3—2017[S].
收稿日期：2021-04-13
作者简介：王保飞（1981—），男，河南安阳人，电气工程师，研究方向：电气自动化。