控制系統(tǒng)布線解決方案是自控專業(yè)設(shè)計師需要重點考慮的問題，也是他們感到煩惱的揪心事。在自控專業(yè)的設(shè)計圖紙中，涉及到接線、布線的圖紙工作量大約要占到百分之五十。我們常常說，這一部分的工作最沒有技術(shù)含量，但又最容易出錯。說它沒有技術(shù)含量，是因為一根線接到這個端子上就是對的，比如變送器輸出的正端接到I/O卡的正端可能就對了，接到I/O卡的負(fù)端就錯了。說它容易出錯，是成百上千的端子要接線，接錯一個兩個可能性是有的，但接錯了如果到試車過程還沒有發(fā)現(xiàn)，小的影響是信號無法顯示，如果是電源線接錯了，則有可能造成板卡燒毀等較大的影響。
1、傳統(tǒng)布線工程
早期的控制系統(tǒng)(如PLC、DCS)是將與過程相聯(lián)的I/O模件集中在控制室的機(jī)柜里，通過并行總線由一臺主計算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制和管理，大量的信號需要通過電纜從現(xiàn)場引到控制室的I/O模件上。在工程設(shè)計中，一個自動化程度稍高的車間，自控專業(yè)設(shè)計所用電纜的長度超過100km是很常見的，圖1為某現(xiàn)場多達(dá)九層的電纜橋架。
圖1 現(xiàn)場電纜橋架
圖2所示為控制系統(tǒng)傳統(tǒng)布線方式的示意圖，現(xiàn)場設(shè)備(包括變送器、調(diào)節(jié)閥等)的信號通過現(xiàn)場接線箱匯總，以多芯電纜的方式送到控制室配線柜的端子排，然后以單芯導(dǎo)線轉(zhuǎn)接到控制系統(tǒng)的I/O模件上。
圖2 控制系統(tǒng)傳統(tǒng)布線方式示意圖
由于端子排的接線順序通常是按照多芯電纜的編號次序排列，同一根電纜中匯集的是位置靠在一起的各類現(xiàn)場設(shè)備，如變送器、分析儀表、調(diào)節(jié)閥、開關(guān)量等不同種類的信號，而I/O模件的配線組件是一個信號類別一個組件，如4-20mA輸入、4-20mA輸出、開關(guān)量輸入等等，這樣端子排到I/O模件的配線組件之間的配線相互交叉，看起來雜亂無章，令安裝后的查線及日常維護(hù)都感到很麻煩(見圖3)。
圖3 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)布線方式
在自控工程設(shè)計時，我們需繪制每一個現(xiàn)場接線箱、每一個配線柜、每一個I/O模件的端子接線圖。麻煩的不僅僅是設(shè)計師，還有盤柜箱生產(chǎn)線上的接線員、建筑安裝單位的施工人員，他們是要一根一根接線的(見圖3)。當(dāng)然，工廠的管理維護(hù)人員也不會輕松，一個監(jiān)測點故障的查線往往需要從源頭的檢測儀表一直查到控制系統(tǒng)的I/O模件。
傳統(tǒng)布線方式是一對一接線貫穿始終，導(dǎo)線、電纜、橋架需要量大，換接點多，故障隱患點多，維護(hù)工作量大。自控設(shè)計師常常想：有沒有什么辦法能讓布線方式簡單一些，能讓故障環(huán)節(jié)少一點？能讓我們圖紙工作量少一些？能讓我們從這些沒有任何技術(shù)含量的繁瑣工作中解脫出來？
2、菲尼克斯快速布線
為了簡化布線工作，最方便入手的是從控制室配線柜的端子排到控制系統(tǒng)的I/O模件這一段，人們在想，怎樣將出配線柜端子排的多芯電纜能方便地連接到I/O模件上，于是一種帶前適配器預(yù)制電纜的布線方式就出現(xiàn)了(見圖4)。預(yù)制電纜也是多芯的，但它帶編號，只要按編號順序在配線柜端子排連接來自現(xiàn)場設(shè)備的信號線，另一端的前適配器直接插入控制系統(tǒng)I/O模件的對應(yīng)輸入插座上即可，取代了傳統(tǒng)的螺釘接線或壓接方式接線。
圖4 用帶前適配器的預(yù)制電纜代替多芯電纜的布線方式
菲尼克斯電氣公司的INTERFACE快速布線系統(tǒng)采用了帶前適配器預(yù)制電纜的布線方式，來自現(xiàn)場設(shè)備的信號線接入布線模塊輸入側(cè)，而布線模塊的孔式接頭是輸出側(cè)，通過帶前適配器預(yù)制電纜的針式插頭連接，再通過前適配器接入控制系統(tǒng)的I/O模件。菲尼克斯電氣公司曾為眾多DCS、PLC廠家及直接用戶提供快速布線系統(tǒng)(見圖5)，采用這一系統(tǒng)的DCS、PLC廠家和產(chǎn)品有：AB PLC Control Logix 1756、Micro Logix 1500、PLC-5、SLC-500；ABB S800；Emerson DeltaV；GE FANUC 90-30、90-70、RX3i；Honeywell Plant Scape等。
圖5 INTERFACE快速布線系統(tǒng)
3、愛默生以太網(wǎng)布線
一般來說，快速布線系統(tǒng)簡化的是控制室內(nèi)配線柜與控制系統(tǒng)I/O模件之間的接線工作，布線的數(shù)量并未減少。而實際布線的大量工作是從現(xiàn)場接線箱到控制室之間的連線，其單根長度通常都是數(shù)百米，在這方面有簡化的辦法嗎？愛默生過程管理(Emerson Process Management)公司2010年在DeltaV DCS V11版本的系統(tǒng)中推出采用了電子布線系統(tǒng)S系列產(chǎn)品，這一技術(shù)對傳統(tǒng)布線方式作了重大改進(jìn)。它將控制室內(nèi)配線柜與控制系統(tǒng)I/O模件之間的一對一接線改為通過以太網(wǎng)通信(見圖6)。
圖6 配線柜與控制系統(tǒng)I/O模件之間采用以太網(wǎng)通信
圖7為電子布線技術(shù)機(jī)柜布置示意圖，每一排最上面是冗余配置的CHARM I/O卡，往下是8塊底板，每塊底板上可以插入12個CHARM CHARacterization Module，特性模塊)，每個CHARM可選所需的I/O類型。每排96個CHARM通過底板上隱藏的數(shù)字總線將現(xiàn)場設(shè)備的信息傳送到CHARM I/O卡，CHARM I/O卡再通過冗余的以太網(wǎng)連接到Delta V的I/O網(wǎng)絡(luò)上[2]。因此，機(jī)柜只看到進(jìn)CHARM的現(xiàn)場設(shè)備布線，而其余的布線因采用了數(shù)字總線技術(shù)，所以我們看不到雜亂無章的交叉布線，也看不到類似菲尼克斯電氣INTERFACE快速布線系統(tǒng)的帶前適配器預(yù)制電纜。
圖7 電子布線技術(shù)示意圖
與傳統(tǒng)布線方式相比，電子布線具有以下幾個方面的特點：
①按需配置I/O
由于每個CHARM的I/O類型可選，而不是像一般的控制系統(tǒng)是以I/O模件為單位選擇I/O類型。I/O模件上的點數(shù)通常為8、16、32甚至64點，所以實際使用中的I/O模件往往有一定數(shù)量的閑置，現(xiàn)在按需配置I/O則可以用多少配置多少。萬一CHARM損壞，也只影響一個點的信息，更換時也只更換一個CHARM，因此可以說是在單通道級別實現(xiàn)信號回路的獨立性和靈活性。
②簡化了設(shè)計和安裝工作
在傳統(tǒng)的布線方式里，現(xiàn)場設(shè)備的配線通常需要經(jīng)過現(xiàn)場接線箱、布線、I/O柜到達(dá)控制器。當(dāng)采用電子布線后，由于現(xiàn)場接線箱、布線、I/O柜等有的取消、有的大大簡化。像機(jī)柜設(shè)計、現(xiàn)場接線箱設(shè)計、I/O柜端子排設(shè)計、現(xiàn)場接線箱端子排設(shè)計、電纜配置、管架配置、橋架配置等圖紙設(shè)計工作量可完全省去或大部分省去，相應(yīng)的安裝工作量也可簡化，特別是大量的端子接線、布線、配管、配線橋架、查線等工作量可減少70%左右。據(jù)愛默生過程管理公司對一個5500個I/O點的工程項目自控工程費用詳細(xì)計算，得到的結(jié)論是電子布線費用為609.2萬美元要比傳統(tǒng)布線費用668.7萬美元節(jié)省59.5萬美元，占總費用的8.9%。
③可靠性
從CHARM到DeltaV S系列控制器的所有通信都是完全冗余的，冗余CHARM I/O卡底板具有冗余通信模塊，可用于一級和二級網(wǎng)絡(luò)連接，同時每個獨立的CHARM還配有冗余的電源和通信底板，因而保證了整個系統(tǒng)在I/O環(huán)節(jié)的可靠性。但是CHARM沒有冗余，這是由于CHARM故障只影響一個通道，且可在線更換不影響其他CHARM的工作。
④靈活性
CHARM I/O卡往上可以通過以太網(wǎng)與4個獨立的DeltaV S系列控制器通信，而不像傳統(tǒng)的I/O只與1臺控制器通信，這樣組態(tài)時控制器可在更大的范圍內(nèi)選擇某個I/O點。1臺DeltaV S系列控制器可以分配到多達(dá)16個CHARM I/O卡，每個CHARM I/O卡可連接8個底板，每塊底板上可插12個CHARM，即1個CHARM I/O卡往下可連接8×12=96個CHARM。
④更適應(yīng)工程項目的變更
電子布線技術(shù)讓工程項目的變更影響減少，大多數(shù)情況用戶只需敷設(shè)到新增現(xiàn)場設(shè)備的布線，如果只是I/O類型變化(如液位開關(guān)量輸入信號改為模擬量輸入信號)，甚至不需要重新布線，從CHARM I/O卡以后更不需要增加或改動布線。因此，采用電子布線技術(shù)對現(xiàn)場設(shè)計到控制系統(tǒng)變動的容忍度較高，能適應(yīng)工程項目在建設(shè)期間經(jīng)常發(fā)生的各種臨時變更要求，并能使這些變動所造成的成本增加幅度減少。
4、愛默生無線“布線”
一對一接線改為通過以太網(wǎng)通信，布線量減少了很多，但還是少不了以太網(wǎng)線。布線工作還能怎樣更簡化呢？流程行業(yè)無線通信技術(shù)用無線傳輸回答了這個問題(見圖8)。
圖8 配線柜與控制系統(tǒng)I/O模件之間采用無線通信
愛默生過程管理公司提供的WirelessHART無線解決方案中，有一種架構(gòu)是DeltaV S系列無線I/O卡和781遠(yuǎn)程鏈路構(gòu)成網(wǎng)關(guān)的無線通信系統(tǒng)，無線I/O卡本身就是DeltaV S系列控制器的一個I/O節(jié)點，可直接掛在控制網(wǎng)絡(luò)上，無線I/O卡與781遠(yuǎn)程鏈路有線連接，781遠(yuǎn)程鏈路則和無線儀表以無線方式通信(見圖9)。
圖9 WirelessHART無線通信系統(tǒng)
除了必不可少的布線(如圖1中無線I/O卡與781遠(yuǎn)程鏈路的連線)外，原來的布線傳送信息全部由無線傳輸取代，所以導(dǎo)線、電纜、橋架大量節(jié)省。對自控設(shè)計師來說，涉及到接線、布線的圖紙，如現(xiàn)場接線箱接線圖、配線柜端子接線圖、管線圖、管線敷設(shè)圖……基本都不用畫了，可以看到這會給我們省多少事，然而更重要的是整個工程項目的投資也會大幅度節(jié)省，據(jù)部分工程項目統(tǒng)計，采用無線通信系統(tǒng)后，對應(yīng)部分的投資將節(jié)省3-10%。
控制系統(tǒng)布線解決方案不是一個無關(guān)大局的小問題，它牽涉到自控專業(yè)設(shè)計、訂貨、設(shè)備制造、安裝、使用等方方面面，也涉及工程項目投資、進(jìn)度及建成后維護(hù)工作的便利性，因此，需要各方面人士對此關(guān)注和重視。
作者：方原柏
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