從DCS到OCS：過程控制系統的一次質變
http://www.debgrams.com 2022-01-07 14:27 來源：和利時
——專訪杭州和利時自動化有限公司副總裁黃勁松
“ 相比傳統的DCS，采用OCS工業光總線控制系統可以大幅節省自動化系統的投資成本，并大幅縮短項目建設周期，降低控制系統的維護成本。”
這是杭州和利時自動化有限公司副總裁黃勁松，在筆者對和利時新近發布的OCS工業光總線控制系統做專訪時給出的回答。
DCS，分布式控制系統，自20世紀70年代誕生以來，憑借其無與倫比的技術優勢，在煉油、石油、化工、電力、冶金等大型過程控制領域已經成為了標配。正因為如此，在過去的三四十年間，DCS 也未發生大的改變。
如今，技術飛速發展，IT、ICT、IoT等新興技術給全社會帶來了前所未有的變革。而這一次，光通信技術和軟件定義被引入到了DCS，DCS進化為了OCS，無論是系統架構，還是控制器和I/O，都發生了質變，從而在項目成本、機柜間面積和實施周期等各方面都大大勝過了傳統DCS。
那么什么是OCS？為何能變革傳統的DCS？它用到了哪些創新技術？能夠為用戶帶來哪些好處？適合于哪些應用場合呢？為此，CONTROL ENGINEERING China和黃勁松進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，中文稱為工業光總線控制系統。OCS和DCS的最大區別在于，OCS中采用了光纖作為控制器和I/O之間的網絡傳輸介質，替代一直沿用的銅芯雙絞線電纜。
傳統控制系統，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、安全柵 柜、I/O機柜等一系列中間環節才能完成。如圖1所示。而OCS徹底改變了傳統DCS的系統架構，現場設備直接通過位于現場的工業光總線數據傳輸單元（iDTU）連接到遠端的控制器，省卻了一系列的中間環節。如圖2所示。
圖1（上）、圖2（下）
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、K系列冗余控制站、冗余工業光總線連接單元（RJU）和工業光總線智能數據傳輸單元（iDTU）等設備組成，其中從iDTU到RJU及冗余控制站之間都采用光纖進行通訊。
K系列冗余控制站采用三重冗余鏈路，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，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%。
RJU相當于交換機的作用，每個RJU可以星形連接16或者32個iDTU，而且采用無源光學器件技術，物理iDTU用于連接現場設備，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。VIO模塊支持AI、AO、DI、DO、PI、Namur六種信號類型。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。
OCS有哪些技術上的創新？
OCS工業光總線控制系統當然不只是用光纖替代原先的銅制線纜這么簡單，事實上，它在現場信號輸入/輸出和傳輸環節的技術創新，已經取得了6項發明專利。黃勁松介紹說，OCS在技術上主要突破了工業光總線和軟件定義I/O兩大技術。
工業光總線是和利時在OCS上的一次技術創新應用。盡管利用光纖來傳輸以太網協議的技術已經十分成熟，但在光纖上傳輸工業總線協議仍然要克服很多技術上的難題。和利時利用其多年在DCS上的控制網絡 Cnet積累的技術基礎，開發了基于光通信的Onet冗余工業光總線。和以太網的7層架構不同，Onet只有物理層、數據鏈路層和協議層這三層，這種簡潔的層次大大提高了傳輸的效率。Onet符合IEC 61158國際標準、JB/T 10308.3-2001國標和EN50170歐標的要求，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20千米（無中繼）。
軟件定義I/O在DCS領域是近年來興起的技術，和利時其實在此領域早有準備。軟件定義I/O體現在兩個方面，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，不必為不同信號配置不同的I/O模塊，只需要通過軟件將通道設置為與現場儀表輸出相同的信號類型即可。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I/O通道出現故障時，只需要在工程師站上進行軟件切換，將故障的通道切換到備用通道即可，無需維護人員到達故障現場。
OCS能夠帶來哪些好處？
OCS工業光總線控制系統在技術上的一個個創新，給傳統過程控制系統帶來根本性的變革，當然也給用戶帶來了眾多的好處。
第一，OCS帶來了項目初期成本的大幅降低。一方面，由于在控制站與現場數據采集單元之間采用光纖通信，大大節省了原本昂貴的儀表電纜的使用量，同時也降低了電纜橋架等中間環節的成本，而且采用的是工業光總線技術，相比利用基于以太網的光纖傳輸，成本更為節省。另一方面，由于省去許多中間環節，控制系統的后期維護成本以及備品備件的成本也可以大幅降低。
第二，OCS的項目實施周期可以大幅縮短。一方面得益于OCS簡化的系統架構，大大減少了施工量，一方面得益于軟件定義I/O技術，消除了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，從而縮短項目執行周期。另外，標準化工程設計，簡化了設計院工作流程，模塊化的標準機箱設計，縮短廠商供貨交付周期，到貨即可實施現場指導及安裝，最終實現用戶、設計院和廠商的三方共贏。
第三，系統的可靠性更高。工業光總線的應用在提高現場信號傳輸過程中抗電磁干擾能力和防雷擊能力上表現優越，且一根光纖可以傳輸至少512路現場信號，無需中繼的情況下傳輸距離長達20千米，更為重要的是，可以實現現場信號的冗余傳輸，傳輸效率更高、可用性更強。
OCS在系統的高可用性方面有哪些專門設計？
對于用戶來說，除了成本等因素外，系統的可用性是最重要的，畢竟過程控制系統往往都是應用在石化、化工等對連續生產要求很高的關鍵應用場合。那么，OCS在系統的可用性和可靠性方面有哪些專門的設計呢？
黃勁松對此表示，OCS在Onet工業光總線和RJU、iDTU上都針對可靠性有專門的設計。
在Onet光總線通訊上，從控制器到iDTU之間都采用冗余設計，不但保證了主備控制器之間能夠快速切換，而且整個光總線鏈路具有實時診斷功能，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，滿足-40℃~+70℃危險環境的防爆使用要求，并且具有溫度及濕度監測功能，支持I/O通道狀態診斷。iDTU整體還通過了EMC 3A級、IEC/ATEX/GB無火花增安防爆（1類2區）、IP66防護等級、氣密性 NR設計、G3防腐等級、CCC及CE等國際國內體系認證。這一點對于整個OCS的可用性是至關重要的一個技術突破。
OCS如何保證系統的安全性？
工控系統的信息安全面臨著越來越嚴峻的考驗，APT攻擊行動高發，勒索病毒技術手段不斷升級，歷史重大漏洞利用問題嚴重，那OCS在信息安全方面有什么獨特之處呢？黃勁松表示OCS已經將最新的信息安全技術——可信計算技術植入到了控制系統之中。
在OCS的K系列控制器中已經融入了可信計算技術，不同于傳統工業控制系統的防火墻、縱深防御等信息安全的被動防御機制，可信計算技術實現了基于內生安全的主動免疫機制。據黃勁松透露，K系列控制器采用高性能主處理器及基于國密算法的協處理器，做到了靜態可信啟動、動態可信度量和固件更新可信等三項信息安全防御策略。
OCS有沒有一些應用實踐？效果如何？
毫無疑問，一個新的控制系統是否能夠應用到工業現場，最重要的是需要經過現場實踐的驗證。這一點也受到了和利時的重視，在OCS的研發過程中，和利時攜手設計院一起邊實踐邊研發，截止到目前，OCS工業光總線控制系統已經在數十個工業現場得到了成功應用。
黃勁松舉例說，山東某精細化工企業2021年根據安監局要求，將原有存在安全隱患的現場機柜間搬遷到遠離生產裝置的安全位置，由于產品銷售行情好，加上安監局要求限期整改，用戶急需在最短的時間周期內完成改造工作。面對緊張的改造周期，和利時的OCS系統方案以其工程量小、安裝部署方便的特點得到了用戶認可，用戶最終選擇了OCS系統進行原有自動化系統的改造。6月底工廠裝置停工開始改造，不到2個月時間完成了現場改造的全部工作，于8月順利投入正常運行，受到了用戶的一致好評。
OCS的未來將如何發展？
OCS工業光總線控制系統的推出，可謂是我國自動化廠商在過程控制系統領域走向全球領先水平的重要一步。盡管一些國際廠商通過光纖來傳輸現場信號減少布線已經應用多年，但和利時的OCS工業光總線控制系統在成本、可用性、維護性和安全性方面更勝一籌。因此，在黃勁松看來，在目前我國大力發展自主可控、安全可信的關鍵工業技術這一歷史時期，OCS工業光總線控制系統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氣等行業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大力應用推廣之外，和利時將繼續保持自主創新，不斷豐富基于工業光總線的產品方案。
時代的發展滾滾向前，順勢而為才不會被時代所淘汰。盡管未來充滿不確定性，但我們可以確信，從DCS 到OCS不僅僅是一次技術上的質變，更是時代發展的潮流，OCS取代傳統的DCS或許指日可待。
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