首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工业综合论文 > 有机化工论文 > “OCS”控制系统在原料药项目设计中的应用研究

“OCS”控制系统在原料药项目设计中的应用研究

2024-10-16 111 上传者：管理员

摘要：针对目前原料药项目控制系统普遍存在的问题提出了一种新的“OCS”控制系统，通过对“OCS”控制系统基本原理的介绍，阐述了“OCS”控制系统较PLC系统及DCS系统的优势，并通过项目实例佐证了“OCS”控制系统的优越性。总之“OCS”控制系统主要通过组件iDTU和RJU的组合，将传输信号由传统的电信号转换成光信号，完美地解决了原料药项目控制系统设计中防爆、线缆过多等诸多难题。

关键词：
iDTU
OCS
光信号
原料药(API)
控制系统
加入收藏

随着工业4.0概念的提出以及药企对智能化、数字化工厂设计要求的逐步提高，先进的控制系统已成为原料药项目设计过程中的重点。尤其是涉及到易燃易爆的原料药项目设计，根据国家相关安全规范要求，对生产工艺的自动化水平要求越来越高。目前原料药项目采用的主流控制系统为PLC系统或者DCS系统。PLC系统是用来取代继电器，执行逻辑、定时、计数等顺序控制功能而建立的柔性程序控制系统。DCS系统是用来实现处理模拟量与PID，逻辑运算等分散控制功能而实现的封闭式控制系统[1]。相较于PLC,DCS系统的控制单元和I/O设备更加分散，能够实现更大规模、更复杂的控制系统。此外，DCS系统还具有高度可靠性、系统可扩展性强、可行性好、故障处理能力强等优点，因此在制药项目设计中得到了更为广泛的应用[2-3]。

但是随着原料药工艺复杂程度的增加，一个原料药项目的现场信号点数少则几千多则几万，这就需要从机柜间到现场引出大量的信号电缆。根据相关防火规范及各地方安全要求，机柜间不得与甲类房间布置在同一个建筑物内，而且应按重要设施对待，与甲类厂房要保证至少35 m的防火间距要求[4]。如果采用传统的DCS系统设计一个上万个信号点的甲类原料药车间，从控制点到机柜间的信号电缆的用量将是巨大的，如此量大和距离长的信号电缆不但投资高，而且过长的信号传输距离也会对传输信号造成衰减。这也是复杂的原料药项目设计过程中的一项难点。

DCS自1975年问世以来，一直是将现场信号通过电缆接入控制室机柜间，通过IO卡转换成数字信号双向上传到控制器，对生产设备进行监控，这种结构至今也没有多大变化。期间诞生了FF现场总线技术，因成本和维护性问题也没有得到认可和推广。2011年由艾默生公司率先研发了电子布线技术，该技术将I/O模块前置现场，仪表信号接入现场机箱内，通过I/O模块转换成数字信号，通过通信线接入放置现场防爆箱内的交换机，汇总后通过光纤接入控制室交换机进入控制网，主控器通过控制网交换机接收和发送现场仪表信号实现控制。优势是节省了大量电缆和桥架及安装费。但由于通讯速度慢、成本高，特别是为降低成本采用单台96点的箱体，往往造成建设单位维护困难，从而没有在现场大量使用。OT与ICT的融合，一直推动着DCS的技术进步，但在现场信号的输入/输出和传输环节始终没有实现技术突破。终于在2019年，DCS系统产生技术性变革，“和利时”成功研发OCS—工业光总线控制系统[5]。

OCS系统原理就是在现有DCS的基础之上，融合了软件定义I/O技术和工业光总线技术，实现了技术创新构建的新一代过程控制系统。OCS系统的应用原则上可以取消现场机柜间设计，在总控制室内集成一个机柜间功能即可，将生产现场传统的弱电信号转换成光信号进行光纤传输，完美地解决了原料药项目控制系统设计的难题。

1、OCS系统介绍

当前原料药生产的现场自控仪表和控制设备之间数据传输的主流形式是靠铜芯电缆传输电信号。生产现场数据通信的模拟信号技术和现场总线技术都以电信号传输为基础，其传输介质都是铜芯对绞电缆。通过实践摸索，铜芯对绞电缆和电信号传输的缺点是：铜线传输的效率低，金属铜的消耗量大，而且成本高昂，同时电信号容易受到干扰。随着光网络技术的发展，利用光纤及其他光传输设备传输数据，具有天然的高带宽、低时延、低损耗、易运维、抗干扰的传输优点。而且光网络不但可以满足生产现场信号传输需求，同时又可以保证网络的安全、便捷和易用[6]。中国拥有世界领先的光通信技术，将光网络技术与工业数据传输设备相结合，具备天然的条件和优势。

OCS是Industrial Optical Bus Control System的简称，中文称为工业光总线控制系统，实现了现代电子技术和工业光通讯技术的成功结合。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。该系统采用星形连接方式，主要组件iDTU（现场智能I/O转换单元箱，整体防爆认证的防爆设备）可放置在现场甲类车间防爆II区，i DTU将现场模拟信号就地转化为数字信号，经过光总线支线就近汇至RJU（光纤分支器），再通过光总线干线最终将信号送至控制单元，完成信号远距离传输，实现远程控制。该系统不但将传统的生产现场总线与光纤媒质完美组合，而且还实现了更高带宽、更高灵活性及低时延的网络目标。通过光网络技术对数据传输方式和交互机制进行优化，实现了现场数据传输更具竞争力的指标，同时还解决了传统生产现场仪表信号传输的瓶颈问题，实现了企业数字化、信息化、智能化转型对网络提出的更高要求[7-8]。系统结构图如1所示。

图1 OCS系统结构图

RJU是分光器，采用纯物理分光技术，将一芯光纤分成16路光纤，连接16个iDTU，而且采用无源光学器件技术，物理寿命可达无限大。光信号通过RJU无任何延迟，相当于信号直通，控制器和IO模块之间通信实现一光通达，无节点，而且通信协议和DCS相同，等同于DCS的IO模块放在机柜内和控制器通信。消除了传统电子布线系统采用交换机组成的远程IO在通信时序的不确定给DCS带来的不确定风险。

i DTU用于连接现场控制仪表，将弱电信号转为光信号，然后通过工业光总线与RJU进行连接。iDTU采用了模块化设计理念，由三大模块构成，主要包括：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[9-11]。

2、设计中采用OCS的优势

2.1 简化并取消了传统的机柜间的设计

OCS将iDTU及RJU布置在了现场，尤其是甲类车间设计时，由于iDTU及RJU采用了可靠的防爆设计，并通过了一体化防爆认证，采用小型仪表化设计结构，替代了传统设计的接线柜和I/O柜，机柜间原则上可以取消。

2.2 用光纤替代了传统的主电缆

传统设计中，主电缆是多对铜芯对绞屏蔽电缆，布线距离长，线损严重。OCS从iDTU到RJU及冗余控制站之间都采用光纤进行通讯，用廉价大容量的光纤替代了传统设计的铜芯主电缆，节省了大量的材料和安装费用。

2.3 通讯速度快、实时性强、可靠性高

现场I/O转换后的信号不经过交换机，不经过协议转换，直接通过RJU汇总，经光缆进入电子间接入控制器，没有多余中间环节（交换机）制约，更不需要协议转换，因此实现数据的高效传输，实时性好、通过环节少、安全可靠。

2.4 iDTU现场分散布置，提高设计的安全性

iDTU多采用16点现场防爆智能I/O单元，仪表化结构设计，在现场与控制元件就近布置，布置更加分散，避免了传统设计的接线柜和I/O柜集中布置于机柜间的缺点。一旦发生事故，仅附近的i DTU可能被破坏，可有效地将事故控制在最小的范围内，降低了事故风险。

2.5 RJU本质防爆

RJU不需要供电，是物理分光，传输效率高、安全可靠、长寿、天然防爆，采用该技术实现了从控制器到现场模块全部采用光纤传输，实现一光到底，实现实时、安全可靠。

2.6 最大程度节省电缆用量

iDTU采用16点现场I/O单元，使得现场I/O单元距离信号源非常近，最大程度上节省管材和线缆。

2.7 极高的扩展性

现场需要增加测控点时，只需要增加现场i DTU个数，通过光纤接入现场光路分支器RJU多余光口即可，不需要再拉电缆。不但方便快捷节省工期，而且节省大量电缆和人力成本。

2.8 组态编程的灵活性

通用I/O模块，软件定义每个I/O通道的信号类型。OCS系统可通过编程灵活规定各模块的通道类型，只需要设计现场仪表到就地接线箱接线即可，可以做到边施工边组态。

3、项目实例

浙江某药厂自动化系统改造项目，产品包含原料药、制剂、中间体等。根据项目实际情况采用i DTU防爆智能IO单元+光纤采集系统，共使用13对冗余RJU光纤连接器、133套16点/套的i DTU防爆智能IO单元。本项目实施后复盘总结如下：

(1）采用OCS系统后大大缩短了施工周期，节约了项目的投资，缩短了施工周期，确保了项目按期顺利投产，实际运行后效果良好。

(2)OCS系统适应现场新建和改造等复杂工况环境，完全满足现场安全要求，可以在湿热的环境中依然正常良好地运行。

4、结论

OCS系统是电子技术和光通讯技术成熟后对DCS系统的变革，现场就近将传统的弱电信号转换为光信号实现远距离传输，不但解决了原料药项目设计中机柜间布置的难题，而且从信号的传输效率、投资成本、本质安全及安装维护方面都取得了巨大进步，尤其是在投资成本上，可以大幅度节约仪表总投资。随着OCS系统逐步被推广和完善，将会更多地应用于制药项目的控制系统设计中。

参考文献:

[1]丁钢.三大控制系统的实际应用及发展[J].甘肃冶金,2012,34(1):141-144.

[2]黄福彦,郭武军,徐招辉. DCS在生物发酵工程中的应用[J].自动化博览,2010, 28(8):82-85.

[3]张驰. DCS控制系统在化工生产中的应用[J].化工设计通讯,2020, 4(8):159-160.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部,国家质量监督检验检疫局.石油化工企业设计防火标准:GB 50160—2008[S].北京:中国消防规范网,2008:16-26.

[5]黄福彦,邱佳静,黄永忠.集散控制系统光总线网络结构的研究[J].工业仪表与自动化装置,2023, 53(4):103-105.

[6]魏毅,高俊杰.一种以工业光总线为基础的工业控制系统[J].仪器仪表用户,2022, 9(9):1-4.

[7]程永红,秦东亮,李勇. DCS系统故障分析处理与维护防范措施[J].中国仪器仪表,2011, 31(2):58-61.

[8]高革雄.浅谈DCS控制系统的干扰与防范[J].杭州化工,2006, 37(2):27-29.

[9]方垒. OCS工业光总线控制系统及其应用[J].自动化博览,2021,39(12):58-63.

[10]胡庆.光纤通信系统与网络[M].3版.北京:电子工业出版社,2014.

[11]王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].3版.北京:电子工业出版社,2016.