昌暉儀表針對某項目中現(xiàn)有機柜間空間和管廊承載力不足的問題，采用電子布線系統(tǒng)。電子布線系統(tǒng)以全新的I/O形式，通過可自定義信號類型的通道將端子柜的功能集成到系統(tǒng)內(nèi)部，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，簡化了設(shè)計安裝工作，節(jié)省了時間成本。
1、電子布線系統(tǒng)概述
①電子布線技術(shù)特點
電子布線技術(shù)專注于過程自動化系統(tǒng)的集成、調(diào)試和試車運行等全過程，每個單獨的I/O通道都可以通過電子布線分配至系統(tǒng)中的任意1臺控制器中。
電子布線技術(shù)的核心是CIOC模塊和CHARM模塊，冗余的CIOC模塊既可以布置在機柜間內(nèi)的機柜中，也可以布置在現(xiàn)場的CHARM機柜內(nèi)，CIOC模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。CHARM模塊通過底板上隱藏的數(shù)字總線將現(xiàn)場儀表的信息傳送到CIOC模塊上，可避免傳統(tǒng)布線中大量的布線交叉。CHARM模塊只有輸入端配線，沒有輸出端配線。
圖1 CIOC模塊結(jié)構(gòu)示意
②電子布線系統(tǒng)硬件組成
電子布線系統(tǒng)主要涉及以下硬件：
◆CIOC支架。該支架上安裝1對冗余的CIOC模塊，采用DIN導(dǎo)軌安裝。
◆CIOC模塊?？刂苹芈返倪壿嬤\算、數(shù)據(jù)運算及調(diào)節(jié)功能等均在CIOC模塊上實現(xiàn)，此外CIOC模塊還負責(zé)CHARM模塊與控制器之間的通信。
◆底板。每塊底板上可以安裝12個CHARM插槽，每個插槽可以插入1只CHARM模塊。同1塊底板上可以安裝不同類型的CHARM插槽。
◆CHARM插槽。CHARM插槽提供接線端子，以連接現(xiàn)場儀表和CHARM模塊；CHARM插槽分為本安型和非本安型兩類，其中非本安型CHARM插槽可提供標 準端子、帶保險絲的電源端子、繼電器端子。
◆CHARM模塊。CHARM模塊具有模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號隔離功能，每只CHARM模塊相當于傳統(tǒng)DCS的1個I/O通道。
◆控制器。電子布線系統(tǒng)的控制器與傳統(tǒng)DCS的控制器硬件相同。
③電子布線系統(tǒng)特點
◆簡化接線
電子布線系統(tǒng)接線時，現(xiàn)場儀表信號可單獨傳輸或者通過接線箱匯集后傳輸至CHARM機柜。采用電子布線系統(tǒng)。信號的邏輯運算等通過冗余的CIOC模塊完成，不同的CIOC模塊之間采用光纖通信，對I/O通道可以任意指定控制器，該系統(tǒng)節(jié)省了編組柜。減少了潛在故障點，簡化了機柜的接線工作。
◆可用性強
電子布線系統(tǒng)的高可用性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
a、冗余性，除了CHARM模塊以外，CHARM機柜內(nèi)包括電源模塊、CIOC模塊以及CIOC模塊至控制器之間的通信總線等均為冗余配置。
b、硬件適應(yīng)性，電子布線系統(tǒng)硬件對操作環(huán)境要求寬松。能夠適應(yīng)絕大多數(shù)工況。
c、熱插拔，每只CHARM塊均支持手動熱插拔；插入CHARM模塊后，系統(tǒng)可自動定義I/O類型。
d、使用方便。任意信號可分配到任意控制器，每1對CIOC模塊所連接的CHARM模塊最多可以被分配到4臺控制器：CHARAM插槽有復(fù)位按鈕，方便更改CHARM模塊的類型。
◆配置靈活
每對冗余的CIOC模塊最多可配置8塊底板，每塊底板上可插入12只CIOC模塊，每只CIOC模塊接收1個儀表信號。CIOC機柜包含標準機柜、48點 CHARM機箱、96點CHARM機箱3種不同的規(guī)格，CHARM機柜可靈活選擇直流24V和交流220V電源供電。
◆降低成本
采用電子布線系統(tǒng)，既可以降低資金成本，也可以降低時間成本。電子布線系統(tǒng)取消了機柜間的盤間電纜，簡化了I/O通道的分配，減少了FAT測試工作?？刂破骱虸/O通道的分離可以大幅提高機柜的設(shè)計效率，適應(yīng)未來有可能出現(xiàn)的1/O通道變更。如果增加回路信號，或者調(diào)整控制器等均不需要調(diào)整原來的接線。此外在項目設(shè)計階段系統(tǒng)設(shè)計、I/O通道分配工作可以和機柜設(shè)計同時進行，減少了設(shè)計時間。
2、電子布線系統(tǒng)的應(yīng)用
①項目介紹
某改造項目中的新建裝置中I/O點數(shù)較多，現(xiàn)場機柜間沒有足夠的空間放置機柜，外管廊也沒有足夠的空間和承載能力用于敷設(shè)電纜。采用電子布線系統(tǒng)可以節(jié)省現(xiàn)場機柜間面積、降低電纜消耗，并可避免頻繁修改對接線設(shè)計的影響。
②網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
該裝置采用艾默生公司的電子布線系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的DCS、無線儀表系統(tǒng)等均為Delta V系統(tǒng)的一部分，均可以直接連接到Delta V系統(tǒng)的主網(wǎng)和副網(wǎng)上。該裝置與其他采用艾默生DCS的已建裝置共用數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)統(tǒng)一管理。
◆DCS與SIS可以連接在同1個Delta V系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)交互采用數(shù)據(jù)調(diào)用的方式完成。
◆DCS的CIOC模塊和控制器通過交換機進行數(shù)據(jù)通信，若控制器與CIOC模塊之間的通信路徑切斷，不影響系統(tǒng)控制層面的運行。
◆DCS的控制器可以帶擴展卡，方便成套設(shè)備等與DCS之間的通信現(xiàn)場機柜間內(nèi)布置的CHARM機柜，直接通過光纜連接到機柜間的交換機，接入Delta V系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)；布置在裝置現(xiàn)場的CHARM機柜，通過現(xiàn)場的光纖分配盤將附近CHARM機柜的光纜集中到一起，然后將主光纜敷設(shè)到機柜間，再連接至機柜間的交換機接入Delta V系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)。
③I/O配置
不同的信號類型通過不同的CHARM插槽配合不同的CHARM模塊來解決。不同的信號類型，有不同的解決方案，該裝置的I/O配置方案見表1所列。
表1 I/O配置方案
信號類型 危險區(qū)劃分 解決方案
AI 非本安 AI卡+標準端子
AI 本安 本安AI卡+本安標準端子
AI 電氣 本安AI卡+本安標準端子，僅用作隔離
AO 非本安 AO卡+標準端子
AO 本安 本安AO卡+本安標準端子
AO 電氣 本安AO卡+本安標準端子，僅用作隔離
DI干觸點 非本安 DI干觸點卡+標準端子
DI干觸點 本安 本安DINamur卡+本安標準端子
DI干觸點 電氣 DI干觸點卡+標準端子+繼電器隔離(外加)
DI Namur 非本安 DI Namur卡+標準端子
DI Namur 本安 本安DINamur卡+本安標準端子
DO直流24V 非本安 DO卡+標準端子。允許最大電流為100mA
DO直流24V 非本安 DO隔離卡+保險絲輸電端子，允許最大電流為1A
DO直流24V 本安 本安DO卡+本安標準端子
DO直流24V 非本安 DO卡+標準端子+外接繼電器
DO干觸點 非本安 DO卡+繼電器端子，適用于交流AC220V，允許最大電流為5A
DO干觸點 電氣 DO卡+繼電器端子，適用于交流220V，允許最大電流為5A
該裝置采用接線箱匯集信號，接線設(shè)計按照以下原則執(zhí)行：
◆本安信號和非本安信號，接入不同的接線箱，經(jīng)不同類型的電纜將信號傳輸至CHARM機柜。本安信號和非本安信號不能混合接入同1塊底板內(nèi)；
同1對CIOC模塊，既可以連接本安型CHARM插槽，也可以連接非本安型的CHARM插槽。
◆該裝置不采用RTD類型的CHARM模塊，泵的軸承/轉(zhuǎn)子測溫信號接入獨立的內(nèi)設(shè)卡件式溫度變送器的接線箱內(nèi)，通過溫度變送器轉(zhuǎn)為4-20mA信號后接入CHARM機柜。
◆電磁閥信號獨立設(shè)置接線箱，不與其他信號共用；且220V電磁閥信號不能與24V電磁閥信號共用接線箱。
◆其余模擬量信號和包含閥位反饋的開關(guān)量信號可共用同1只接線箱。
◆不設(shè)現(xiàn)場配電箱，由電源柜直接給電磁流量計、質(zhì)量流量計、音又開關(guān)等供電。
⑤電子布線系統(tǒng)實施方案
該電子布線系統(tǒng)的具體實施方案如下，
◆現(xiàn)場儀表信號經(jīng)接線箱匯總后，接入現(xiàn)場CHARM機柜。
◆泵的運行/故障等電氣信號接入現(xiàn)場機柜間的CHARM機柜，系統(tǒng)的控制器布置在現(xiàn)場機柜間內(nèi)。
◆布置在現(xiàn)場的CHARM機柜，為了防止柜內(nèi)溫度偏離硬件設(shè)備的工作溫度（－40~70℃)，保證CHARM模塊的防爆認證等滿足規(guī)范要求，增強機柜的防護性能，設(shè)置了防護小屋。CHARM機柜布置于小屋內(nèi)，小屋內(nèi)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)可靠運行。
◆按照接線設(shè)計原則。每10個儀表信號接入1只接線箱，采用多芯電纜，經(jīng)CHARM機柜底部定制的單格蘭安裝板，將信號從接線箱送至CHARM機柜。
◆根據(jù)現(xiàn)場儀表的布置，該裝置設(shè)置了2個防護小屋，小屋布置在裝置的邊緣，遠離震動源。
◆在執(zhí)行過程中，成套機組/設(shè)備的PLC接至位于現(xiàn)場機柜間內(nèi)的控制器擴展卡上，同時每面CHARM機柜的前5個通道留作機柜監(jiān)測，第一通道監(jiān)測機柜內(nèi)溫度。第二通道監(jiān)測機柜內(nèi)直流24V電源狀態(tài)，其他通道根據(jù)情況另行定義。
3、電子布線系統(tǒng)應(yīng)用探索
電子布線系統(tǒng)是一種新型的控制系統(tǒng)，其應(yīng)用尚處于探索階段，并沒有足夠的成熟案例可以參考，在應(yīng)用時，與傳統(tǒng)DCS相比還需要特別注意其防爆、供電系統(tǒng)、接地系統(tǒng)的設(shè)計。下面昌暉儀表以艾默生以太網(wǎng)布線為例介紹電子布線系統(tǒng)的應(yīng)用。
①防爆設(shè)計
CHARM機柜布置在現(xiàn)場，環(huán)境中存在的爆炸性危險氣體會侵入到機柜的內(nèi)部，嚴重影響柜內(nèi)設(shè)備的可靠運行，理論上電子布線系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備均可在2區(qū)工作，但是220V電磁閥DO類型的CHARM模塊僅通過了無火花認證，未通過增安認證，且可參考的案例不多。為了滿足規(guī)范要求，該裝置采用補償式正壓防爆小屋，即當內(nèi)部的保護氣體泄漏時，可根據(jù)泄漏量的大小，連續(xù)或間歇地補充保護氣體，從而保持小屋內(nèi)部正壓，實現(xiàn)防爆功能。主要措施有以下幾點：
a、小屋底部進線，不得破壞外殼的正壓防爆性能。小屋底部的電纜進線孔根據(jù)小屋內(nèi)CHARM機柜的布置、現(xiàn)場電纜的規(guī)格及數(shù)量設(shè)置，電纜通過增安型防爆格蘭引入小屋內(nèi)。
b、小屋采用的材質(zhì)為304SS不銹鋼，具有良好的阻燃性。能耐最高表面溫度135℃而不損壞正壓防爆性能。
c、小屋的抗壓能力要大于正常運行時所規(guī)定的最大正壓值的1.5倍，并能夠承受GB3836.1-2010《爆炸性環(huán)境第1部分，設(shè)備通用要求》規(guī)定的沖擊試驗。
d、小屋內(nèi)設(shè)置正壓報警裝置，防止保護氣體供給系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致的小屋內(nèi)部正壓超壓。
②供電系統(tǒng)的設(shè)計
為了保證電子布線系統(tǒng)的可靠運行，最大限度地降低由電源異常造成的影響，裝置建設(shè)時需要設(shè)計一個安全、性能可靠的供電系統(tǒng)。電子布線系統(tǒng)的供電系統(tǒng)包括：控制器供電，CHARM機柜供電，電磁閥等有源DO信號供電，現(xiàn)場儀表供電。該裝置配置了2套冗余的UPS，UPS主電源和旁路電源由不同的母線供電，保證了供電可靠且能實現(xiàn)無擾動切換。雙UPS并聯(lián)供電方案如圖2所示。
圖2 雙UPS供電方案示意
電子布線系統(tǒng)雙電源的負載主要包括，控制器、服務(wù)器、現(xiàn)場CHARM機柜等，只要有1路UPS正常工作，則雙電源負載就可以正常運行。單電源負載主要包括：操作站、交換機、現(xiàn)場儀表等，每路UPS分別給半數(shù)的操作站/交換機供電，假如有1路UPS故障，另外1路也能保證半數(shù)操作站/交換機可以正常運行，以便有足夠的時間做出應(yīng)急處置，說明如下：
◆CHARM機柜的供電。每個小屋內(nèi)設(shè)置1面電源分配柜，電源分配柜由布置在現(xiàn)場機柜間內(nèi)的雙路UPS提供電源；現(xiàn)場布置的CHARM機柜由電源分配柜提供2路冗余交流220V電源。每面CHARM機柜配置1對20A電源模塊給柜內(nèi)CHARM模塊和光電轉(zhuǎn)換器等提供電源。
◆控制器的供電。控制器布置在現(xiàn)場機柜間內(nèi)，為雙電源負戟，其電源來自2路冗余的UPS。
◆電磁閥的供電，該裝置使用的電磁閥供電電壓為220V，由CHARM機柜給每塊可能配置DO類型CHARM模塊的底板供電，底板上有專用的電源接線端子，只要接通電源，則12塊底板上的任意通道只要插入相應(yīng)的DO類型CHARM模塊就可以實現(xiàn)為電磁閥供電。
◆現(xiàn)場四線制儀表的供電。該裝置所使用的四線制儀表有交流220V和直流24V兩種供電方式。所有需要交流220V外供電的儀表，均由電源分配柜直接供電。直流24V供電儀表有兩種情況，分布較集中區(qū)域采用小屋電源柜直接供電的方式；若需要供電的儀表布置相對分散，且處于非防爆區(qū)，可通過在CHARM機柜內(nèi)CHARM模塊給儀表供電，如果采用這種供電方式，則相應(yīng)CHARM機柜需要另外增加單獨的電源模塊。
③接地系統(tǒng)的設(shè)計
現(xiàn)場CHARM機柜通過工作接地板和保護接地板接地，為了保證電子布線系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，該裝置的接地系統(tǒng)，要符合HG/T20513-2014《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)范》以及系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的接地要求。
現(xiàn)場信號的屏蔽線接至工作接地板。由于工作接地要求絕緣，因而其與保護接地匯總前應(yīng)相互進行隔離。該裝置框架內(nèi)每個布置CHARM機柜的樓層均設(shè)置若干獨立的工作接地板，此外，在該裝置框架內(nèi)還設(shè)置了若干保護接地板，各工作接地板之間和各保護接地板之間不串聯(lián)，直接接至儀表總接地板。儀表總接地板通過專用接地極與全廠等電位接地網(wǎng)連接。為了方便檢査接地電阻，該裝置設(shè)置儀表專用接地井1個，該接地井與全廠接地網(wǎng)絡(luò)連接。
根據(jù)系統(tǒng)配置，采用電子布線系統(tǒng)后，按照以下兩個方案執(zhí)行：
a、機柜間儀表接地系統(tǒng)與主接地網(wǎng)接口方案。現(xiàn)場機柜間或CHARM機柜室的儀表總接地板與室外儀表專用接地極可靠連接，接地電阻要求小于1Ω。儀表專用接地極通過儀表接地井與電氣主接地干線連接。室內(nèi)儀表總接地板與室外儀表專用接地極連接時，不允許與建筑防雷引下線直接連接。儀表總接地板的數(shù)量、位置以接地極的接地電阻按照HG/T20513-2014執(zhí)行，機柜間儀表接地系統(tǒng)與主接地網(wǎng)接口方案如圖3所示。
圖3 機柜間儀表接地系統(tǒng)與主接地網(wǎng)接口方案示意
b、現(xiàn)場裝置接地系統(tǒng)與主接地網(wǎng)接口方案。
布置在現(xiàn)場裝置區(qū)的儀表總接地板或者采用帶鎖的儀表接地箱，與室外儀表專用接地極應(yīng)可靠連接，接地電阻小于3Ω，儀表專用接地極通過接地扁鋼與電氣主接地干線連接。儀表總接地板與儀表專用接地極連接時，要求連接線與大地絕緣，現(xiàn)場裝置儀表接地系統(tǒng)與主接地網(wǎng)接口方案如圖4所示。
圖4 現(xiàn)場裝置儀表接地系統(tǒng)與主接地網(wǎng)接口方案示意
c、如成套機組CCS等其他系統(tǒng)的保護接地接入電氣接地網(wǎng)，有特殊要求時可單獨設(shè)置接地極，但不允許在建筑內(nèi)或裝置內(nèi)與儀表接地系統(tǒng)連接。同時，計算機或DCS信號電纜的屏蔽層不得浮空，必須接至工作地接地板。
電子布線技術(shù)對傳統(tǒng)布線方式做了重大改進，根據(jù)裝置的具體情況，可與現(xiàn)場總線、無線、HART等技術(shù)形成互補，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以電子布線技術(shù)為基礎(chǔ)的電子布線系統(tǒng)對于后期變更多，增加I/O比較多的場合，有著廣泛的應(yīng)用優(yōu)勢。
作者：解娜
相關(guān)閱讀
各類自動化控制系統(tǒng)布線解決方案原理和特點
