控制系統(tǒng)布線解決方案是自控專業(yè)設(shè)計(jì)師需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，也是他們感到煩惱的揪心事。在自控專業(yè)的設(shè)計(jì)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(shuō)，這一部分的工作最沒(méi)有技術(shù)含量，但又最容易出錯(cuò)。說(shuō)它沒(méi)有技術(shù)含量，是因?yàn)橐桓€接到這個(gè)端子上就是對(duì)的，比如變送器輸出的正端接到I/O卡的正端可能就對(duì)了，接到I/O卡的負(fù)端就錯(cuò)了。說(shuō)它容易出錯(cuò)，是成百上千的端子要接線，接錯(cuò)一個(gè)兩個(gè)可能性是有的，但接錯(cuò)了如果到試車過(guò)程還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，小的影響是信號(hào)無(wú)法顯示，如果是電源線接錯(cuò)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(guò)程相聯(lián)的I/O模件集中在控制室的機(jī)柜里，通過(guò)并行總線由一臺(tái)主計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制和管理，大量的信號(hào)需要通過(guò)電纜從現(xiàn)場(chǎng)引到控制室的I/O模件上。在工程設(shè)計(jì)中，一個(gè)自動(dòng)化程度稍高的車間，自控專業(yè)設(shè)計(jì)所用電纜的長(zhǎng)度超過(guò)100km是很常見(jiàn)的，圖1為某現(xiàn)場(chǎng)多達(dá)九層的電纜橋架。
圖1 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備(包括變送器、調(diào)節(jié)閥等)的信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(chǎng)設(shè)備，如變送器、分析儀表、調(diào)節(jié)閥、開(kāi)關(guān)量等不同種類的信號(hào)，而I/O模件的配線組件是一個(gè)信號(hào)類別一個(gè)組件，如4-20mA輸入、4-20mA輸出、開(kāi)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(lái)雜亂無(wú)章，令安裝后的查線及日常維護(hù)都感到很麻煩(見(jiàn)圖3)。
圖3 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)布線方式
在自控工程設(shè)計(jì)時(shí)，我們需繪制每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)接線箱、每一個(gè)配線柜、每一個(gè)I/O模件的端子接線圖。麻煩的不僅僅是設(shè)計(jì)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(jiàn)圖3)。當(dāng)然，工廠的管理維護(hù)人員也不會(huì)輕松，一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)故障的查線往往需要從源頭的檢測(cè)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(duì)一接線貫穿始終，導(dǎo)線、電纜、橋架需要量大，換接點(diǎn)多，故障隱患點(diǎn)多，維護(hù)工作量大。自控設(shè)計(jì)師常常想：有沒(méi)有什么辦法能讓布線方式簡(jiǎn)單一些，能讓故障環(huán)節(jié)少一點(diǎn)？能讓我們圖紙工作量少一些？能讓我們從這些沒(méi)有任何技術(shù)含量的繁瑣工作中解脫出來(lái)？
2、菲尼克斯快速布線
為了簡(jiǎn)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?cè)谙耄鯓訉⒊雠渚€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(jiàn)圖4)。預(yù)制電纜也是多芯的，但它帶編號(hào)，只要按編號(hào)順序在配線柜端子排連接來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)線，另一端的前適配器直接插入控制系統(tǒng)I/O模件的對(duì)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(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)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(guò)帶前適配器預(yù)制電纜的針式插頭連接，再通過(guò)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(jiàn)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(ài)默生以太網(wǎng)布線
一般來(lái)說(shuō)，快速布線系統(tǒng)簡(jiǎn)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(shí)際布線的大量工作是從現(xiàn)場(chǎng)接線箱到控制室之間的連線，其單根長(zhǎng)度通常都是數(shù)百米，在這方面有簡(jiǎn)化的辦法嗎？愛(ài)默生過(guò)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(duì)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(duì)一接線改為通過(guò)以太網(wǎng)通信(見(jiàn)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(gè)CHARM CHARacterization Module，特性模塊)，每個(gè)CHARM可選所需的I/O類型。每排96個(gè)CHARM通過(guò)底板上隱藏的數(shù)字總線將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息傳送到CHARM I/O卡，CHARM I/O卡再通過(guò)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(chǎng)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(wú)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(gè)方面的特點(diǎn)：
①按需配置I/O
由于每個(gè)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(diǎn)數(shù)通常為8、16、32甚至64點(diǎn)，所以實(shí)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(wàn)一CHARM損壞，也只影響一個(gè)點(diǎn)的信息，更換時(shí)也只更換一個(gè)CHARM，因此可以說(shuō)是在單通道級(jí)別實(shí)現(xiàn)信號(hào)回路的獨(dú)立性和靈活性。
②簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和安裝工作
在傳統(tǒng)的布線方式里，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配線通常需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)接線箱、布線、I/O柜等有的取消、有的大大簡(jiǎn)化。像機(jī)柜設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)接線箱設(shè)計(jì)、I/O柜端子排設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)接線箱端子排設(shè)計(jì)、電纜配置、管架配置、橋架配置等圖紙?jiān)O(shè)計(jì)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(jiǎn)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(ài)默生過(guò)程管理公司對(duì)一個(gè)5500個(gè)I/O點(diǎn)的工程項(xiàng)目自控工程費(fèi)用詳細(xì)計(jì)算，得到的結(jié)論是電子布線費(fèi)用為609.2萬(wàn)美元要比傳統(tǒng)布線費(fèi)用668.7萬(wàn)美元節(jié)省59.5萬(wàn)美元，占總費(fèi)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(jí)和二級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)每個(gè)獨(dú)立的CHARM還配有冗余的電源和通信底板，因而保證了整個(gè)系統(tǒng)在I/O環(huán)節(jié)的可靠性。但是CHARM沒(méi)有冗余，這是由于CHARM故障只影響一個(gè)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(guò)以太網(wǎng)與4個(gè)獨(dú)立的DeltaV S系列控制器通信，而不像傳統(tǒng)的I/O只與1臺(tái)控制器通信，這樣組態(tài)時(shí)控制器可在更大的范圍內(nèi)選擇某個(gè)I/O點(diǎn)。1臺(tái)DeltaV S系列控制器可以分配到多達(dá)16個(gè)CHARM I/O卡，每個(gè)CHARM I/O卡可連接8個(gè)底板，每塊底板上可插12個(gè)CHARM，即1個(gè)CHARM I/O卡往下可連接8×12=96個(gè)CHARM。
④更適應(yīng)工程項(xiàng)目的變更
電子布線技術(shù)讓工程項(xiàng)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(chǎng)設(shè)備的布線，如果只是I/O類型變化(如液位開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)改為模擬量輸入信號(hào))，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(dòng)布線。因此，采用電子布線技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)變動(dòng)的容忍度較高，能適應(yīng)工程項(xiàng)目在建設(shè)期間經(jīng)常發(fā)生的各種臨時(shí)變更要求，并能使這些變動(dòng)所造成的成本增加幅度減少。
4、愛(ài)默生無(wú)線“布線”
一對(duì)一接線改為通過(guò)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(jiǎn)化呢？流程行業(yè)無(wú)線通信技術(shù)用無(wú)線傳輸回答了這個(gè)問(wèn)題(見(jiàn)圖8)。
圖8 配線柜與控制系統(tǒng)I/O模件之間采用無(wú)線通信
愛(ài)默生過(guò)程管理公司提供的WirelessHART無(wú)線解決方案中，有一種架構(gòu)是DeltaV S系列無(wú)線I/O卡和781遠(yuǎn)程鏈路構(gòu)成網(wǎng)關(guān)的無(wú)線通信系統(tǒng)，無(wú)線I/O卡本身就是DeltaV S系列控制器的一個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)，可直接掛在控制網(wǎng)絡(luò)上，無(wú)線I/O卡與781遠(yuǎn)程鏈路有線連接，781遠(yuǎn)程鏈路則和無(wú)線儀表以無(wú)線方式通信(見(jiàn)圖9)。
圖9 WirelessHART無(wú)線通信系統(tǒng)
除了必不可少的布線(如圖1中無(wú)線I/O卡與781遠(yuǎn)程鏈路的連線)外，原來(lái)的布線傳送信息全部由無(wú)線傳輸取代，所以導(dǎo)線、電纜、橋架大量節(jié)省。對(duì)自控設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，涉及到接線、布線的圖紙，如現(xiàn)場(chǎng)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(huà)了，可以看到這會(huì)給我們省多少事，然而更重要的是整個(gè)工程項(xiàng)目的投資也會(huì)大幅度節(jié)省，據(jù)部分工程項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，采用無(wú)線通信系統(tǒng)后，對(duì)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(gè)無(wú)關(guān)大局的小問(wèn)題，它牽涉到自控專業(yè)設(shè)計(jì)、訂貨、設(shè)備制造、安裝、使用等方方面面，也涉及工程項(xiàng)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(duì)此關(guān)注和重視。
作者：方原柏
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