昌暉儀表針對(duì)某項(xiàng)目中現(xiàn)有機(jī)柜間空間和管廊承載力不足的問(wèn)題，采用電子布線(xiàn)系統(tǒng)。電子布線(xiàn)系統(tǒng)以全新的I/O形式，通過(guò)可自定義信號(hào)類(lèi)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)安裝工作，節(jié)省了時(shí)間成本。
1、電子布線(xiàn)系統(tǒng)概述
①電子布線(xiàn)技術(shù)特點(diǎn)
電子布線(xiàn)技術(shù)專(zhuān)注于過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的集成、調(diào)試和試車(chē)運(yùn)行等全過(guò)程，每個(gè)單獨(dú)的I/O通道都可以通過(guò)電子布線(xiàn)分配至系統(tǒng)中的任意1臺(tái)控制器中。
電子布線(xiàn)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(jī)柜間內(nèi)的機(jī)柜中，也可以布置在現(xiàn)場(chǎng)的CHARM機(jī)柜內(nèi)，CIOC模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。CHARM模塊通過(guò)底板上隱藏的數(shù)字總線(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)儀表的信息傳送到CIOC模塊上，可避免傳統(tǒng)布線(xiàn)中大量的布線(xiàn)交叉。CHARM模塊只有輸入端配線(xiàn)，沒(méi)有輸出端配線(xiàn)。
圖1 CIOC模塊結(jié)構(gòu)示意
②電子布線(xiàn)系統(tǒng)硬件組成
電子布線(xiàn)系統(tǒng)主要涉及以下硬件：
◆CIOC支架。該支架上安裝1對(duì)冗余的CIOC模塊，采用DIN導(dǎo)軌安裝。
◆CIOC模塊。控制回路的邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)運(yùn)算及調(diào)節(jié)功能等均在CIOC模塊上實(shí)現(xiàn)，此外CIOC模塊還負(fù)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(gè)CHARM插槽，每個(gè)插槽可以插入1只CHARM模塊。同1塊底板上可以安裝不同類(lèi)型的CHARM插槽。
◆CHARM插槽。CHARM插槽提供接線(xiàn)端子，以連接現(xiàn)場(chǎng)儀表和CHARM模塊；CHARM插槽分為本安型和非本安型兩類(lèi)，其中非本安型CHARM插槽可提供標(biāo) 準(zhǔn)端子、帶保險(xiǎn)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(hào)隔離功能，每只CHARM模塊相當(dāng)于傳統(tǒng)DCS的1個(gè)I/O通道。
◆控制器。電子布線(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)特點(diǎn)
◆簡(jiǎn)化接線(xiàn)
電子布線(xiàn)系統(tǒng)接線(xiàn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)可單獨(dú)傳輸或者通過(guò)接線(xiàn)箱匯集后傳輸至CHARM機(jī)柜。采用電子布線(xiàn)系統(tǒng)。信號(hào)的邏輯運(yùn)算等通過(guò)冗余的CIOC模塊完成，不同的CIOC模塊之間采用光纖通信，對(duì)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(diǎn)，簡(jiǎn)化了機(jī)柜的接線(xiàn)工作。
◆可用性強(qiáng)
電子布線(xiàn)系統(tǒng)的高可用性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
a、冗余性，除了CHARM模塊以外，CHARM機(jī)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(xiàn)等均為冗余配置。
b、硬件適應(yīng)性，電子布線(xiàn)系統(tǒng)硬件對(duì)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(dòng)熱插拔；插入CHARM模塊后，系統(tǒng)可自動(dòng)定義I/O類(lèi)型。
d、使用方便。任意信號(hào)可分配到任意控制器，每1對(duì)CIOC模塊所連接的CHARM模塊最多可以被分配到4臺(tái)控制器：CHARAM插槽有復(fù)位按鈕，方便更改CHARM模塊的類(lèi)型。
◆配置靈活
每對(duì)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(gè)儀表信號(hào)。CIOC機(jī)柜包含標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜、48點(diǎn) CHARM機(jī)箱、96點(diǎn)CHARM機(jī)箱3種不同的規(guī)格，CHARM機(jī)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(xiàn)系統(tǒng)，既可以降低資金成本，也可以降低時(shí)間成本。電子布線(xiàn)系統(tǒng)取消了機(jī)柜間的盤(pán)間電纜，簡(jiǎn)化了I/O通道的分配，減少了FAT測(cè)試工作?？刂破骱虸/O通道的分離可以大幅提高機(jī)柜的設(shè)計(jì)效率，適應(yīng)未來(lái)有可能出現(xiàn)的1/O通道變更。如果增加回路信號(hào)，或者調(diào)整控制器等均不需要調(diào)整原來(lái)的接線(xiàn)。此外在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)設(shè)計(jì)、I/O通道分配工作可以和機(jī)柜設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，減少了設(shè)計(jì)時(shí)間。
2、電子布線(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用
①項(xiàng)目介紹
某改造項(xiàng)目中的新建裝置中I/O點(diǎn)數(shù)較多，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間沒(méi)有足夠的空間放置機(jī)柜，外管廊也沒(méi)有足夠的空間和承載能力用于敷設(shè)電纜。采用電子布線(xiàn)系統(tǒng)可以節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間面積、降低電纜消耗，并可避免頻繁修改對(duì)接線(xiàn)設(shè)計(jì)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(xiàn)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的DCS、無(wú)線(xiàn)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(kù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。
◆DCS與SIS可以連接在同1個(gè)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(guò)交換機(jī)進(jìn)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(yùn)行。
◆DCS的控制器可以帶擴(kuò)展卡，方便成套設(shè)備等與DCS之間的通信現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)布置的CHARM機(jī)柜，直接通過(guò)光纜連接到機(jī)柜間的交換機(jī)，接入Delta V系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)；布置在裝置現(xiàn)場(chǎng)的CHARM機(jī)柜，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的光纖分配盤(pán)將附近CHARM機(jī)柜的光纜集中到一起，然后將主光纜敷設(shè)到機(jī)柜間，再連接至機(jī)柜間的交換機(jī)接入Delta V系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)。
③I/O配置
不同的信號(hào)類(lèi)型通過(guò)不同的CHARM插槽配合不同的CHARM模塊來(lái)解決。不同的信號(hào)類(lèi)型，有不同的解決方案，該裝置的I/O配置方案見(jiàn)表1所列。
表1 I/O配置方案
信號(hào)類(lèi)型 危險(xiǎn)區(qū)劃分 解決方案
AI 非本安 AI卡+標(biāo)準(zhǔn)端子
AI 本安 本安AI卡+本安標(biāo)準(zhǔn)端子
AI 電氣 本安AI卡+本安標(biāo)準(zhǔn)端子，僅用作隔離
AO 非本安 AO卡+標(biāo)準(zhǔn)端子
AO 本安 本安AO卡+本安標(biāo)準(zhǔn)端子
AO 電氣 本安AO卡+本安標(biāo)準(zhǔn)端子，僅用作隔離
DI干觸點(diǎn) 非本安 DI干觸點(diǎn)卡+標(biāo)準(zhǔn)端子
DI干觸點(diǎn) 本安 本安DINamur卡+本安標(biāo)準(zhǔn)端子
DI干觸點(diǎn) 電氣 DI干觸點(diǎn)卡+標(biāo)準(zhǔn)端子+繼電器隔離(外加)
DI Namur 非本安 DI Namur卡+標(biāo)準(zhǔn)端子
DI Namur 本安 本安DINamur卡+本安標(biāo)準(zhǔn)端子
DO直流24V 非本安 DO卡+標(biāo)準(zhǔn)端子。允許最大電流為100mA
DO直流24V 非本安 DO隔離卡+保險(xiǎn)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(biāo)準(zhǔn)端子
DO直流24V 非本安 DO卡+標(biāo)準(zhǔn)端子+外接繼電器
DO干觸點(diǎn) 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(diǎn) 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(xiàn)箱匯集信號(hào)，接線(xiàn)設(shè)計(jì)按照以下原則執(zhí)行：
◆本安信號(hào)和非本安信號(hào)，接入不同的接線(xiàn)箱，經(jīng)不同類(lèi)型的電纜將信號(hào)傳輸至CHARM機(jī)柜。本安信號(hào)和非本安信號(hào)不能混合接入同1塊底板內(nèi)；
同1對(duì)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(lèi)型的CHARM模塊，泵的軸承/轉(zhuǎn)子測(cè)溫信號(hào)接入獨(dú)立的內(nèi)設(shè)卡件式溫度變送器的接線(xiàn)箱內(nèi)，通過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)為4-20mA信號(hào)后接入CHARM機(jī)柜。
◆電磁閥信號(hào)獨(dú)立設(shè)置接線(xiàn)箱，不與其他信號(hào)共用；且220V電磁閥信號(hào)不能與24V電磁閥信號(hào)共用接線(xiàn)箱。
◆其余模擬量信號(hào)和包含閥位反饋的開(kāi)關(guān)量信號(hào)可共用同1只接線(xiàn)箱。
◆不設(shè)現(xiàn)場(chǎng)配電箱，由電源柜直接給電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、音又開(kāi)關(guān)等供電。
⑤電子布線(xiàn)系統(tǒng)實(shí)施方案
該電子布線(xiàn)系統(tǒng)的具體實(shí)施方案如下，
◆現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)經(jīng)接線(xiàn)箱匯總后，接入現(xiàn)場(chǎng)CHARM機(jī)柜。
◆泵的運(yùn)行/故障等電氣信號(hào)接入現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間的CHARM機(jī)柜，系統(tǒng)的控制器布置在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)。
◆布置在現(xiàn)場(chǎng)的CHARM機(jī)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(rèn)證等滿(mǎn)足規(guī)范要求，增強(qiáng)機(jī)柜的防護(hù)性能，設(shè)置了防護(hù)小屋。CHARM機(jī)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(yùn)行。
◆按照接線(xiàn)設(shè)計(jì)原則。每10個(gè)儀表信號(hào)接入1只接線(xiàn)箱，采用多芯電纜，經(jīng)CHARM機(jī)柜底部定制的單格蘭安裝板，將信號(hào)從接線(xiàn)箱送至CHARM機(jī)柜。
◆根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儀表的布置，該裝置設(shè)置了2個(gè)防護(hù)小屋，小屋布置在裝置的邊緣，遠(yuǎn)離震動(dòng)源。
◆在執(zhí)行過(guò)程中，成套機(jī)組/設(shè)備的PLC接至位于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)的控制器擴(kuò)展卡上，同時(shí)每面CHARM機(jī)柜的前5個(gè)通道留作機(jī)柜監(jiān)測(cè)，第一通道監(jiān)測(cè)機(jī)柜內(nèi)溫度。第二通道監(jiān)測(cè)機(jī)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(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用探索
電子布線(xiàn)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(méi)有足夠的成熟案例可以參考，在應(yīng)用時(shí)，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(jì)。下面昌暉儀表以艾默生以太網(wǎng)布線(xiàn)為例介紹電子布線(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。
①防爆設(shè)計(jì)
CHARM機(jī)柜布置在現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境中存在的爆炸性危險(xiǎn)氣體會(huì)侵入到機(jī)柜的內(nèi)部，嚴(yán)重影響柜內(nèi)設(shè)備的可靠運(yùn)行，理論上電子布線(xiàn)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(lèi)型的CHARM模塊僅通過(guò)了無(wú)火花認(rèn)證，未通過(guò)增安認(rèn)證，且可參考的案例不多。為了滿(mǎn)足規(guī)范要求，該裝置采用補(bǔ)償式正壓防爆小屋，即當(dāng)內(nèi)部的保護(hù)氣體泄漏時(shí)，可根據(jù)泄漏量的大小，連續(xù)或間歇地補(bǔ)充保護(hù)氣體，從而保持小屋內(nèi)部正壓，實(shí)現(xiàn)防爆功能。主要措施有以下幾點(diǎn)：
a、小屋底部進(jìn)線(xiàn)，不得破壞外殼的正壓防爆性能。小屋底部的電纜進(jìn)線(xiàn)孔根據(jù)小屋內(nèi)CHARM機(jī)柜的布置、現(xiàn)場(chǎng)電纜的規(guī)格及數(shù)量設(shè)置，電纜通過(guò)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(yùn)行時(shí)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(yàn)。
d、小屋內(nèi)設(shè)置正壓報(bào)警裝置，防止保護(hù)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(jì)
為了保證電子布線(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，最大限度地降低由電源異常造成的影響，裝置建設(shè)時(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)安全、性能可靠的供電系統(tǒng)。電子布線(xiàn)系統(tǒng)的供電系統(tǒng)包括：控制器供電，CHARM機(jī)柜供電，電磁閥等有源DO信號(hào)供電，現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)供電，保證了供電可靠且能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)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(xiàn)系統(tǒng)雙電源的負(fù)載主要包括，控制器、服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)CHARM機(jī)柜等，只要有1路UPS正常工作，則雙電源負(fù)載就可以正常運(yùn)行。單電源負(fù)載主要包括：操作站、交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)儀表等，每路UPS分別給半數(shù)的操作站/交換機(jī)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(jī)可以正常運(yùn)行，以便有足夠的時(shí)間做出應(yīng)急處置，說(shuō)明如下：
◆CHARM機(jī)柜的供電。每個(gè)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(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)的雙路UPS提供電源；現(xiàn)場(chǎng)布置的CHARM機(jī)柜由電源分配柜提供2路冗余交流220V電源。每面CHARM機(jī)柜配置1對(duì)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?？刂破鞑贾迷诂F(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)，為雙電源負(fù)戟，其電源來(lái)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(jī)柜給每塊可能配置DO類(lèi)型CHARM模塊的底板供電，底板上有專(zhuān)用的電源接線(xiàn)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(lèi)型CHARM模塊就可以實(shí)現(xiàn)為電磁閥供電。
◆現(xiàn)場(chǎng)四線(xiàn)制儀表的供電。該裝置所使用的四線(xiàn)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(duì)分散，且處于非防爆區(qū)，可通過(guò)在CHARM機(jī)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(jī)柜需要另外增加單獨(dú)的電源模塊。
③接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
現(xiàn)場(chǎng)CHARM機(jī)柜通過(guò)工作接地板和保護(hù)接地板接地，為了保證電子布線(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(jì)規(guī)范》以及系統(tǒng)生產(chǎn)廠(chǎng)家的接地要求。
現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的屏蔽線(xiàn)接至工作接地板。由于工作接地要求絕緣，因而其與保護(hù)接地匯總前應(yīng)相互進(jìn)行隔離。該裝置框架內(nèi)每個(gè)布置CHARM機(jī)柜的樓層均設(shè)置若干獨(dú)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(hù)接地板，各工作接地板之間和各保護(hù)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(guò)專(zhuān)用接地極與全廠(chǎng)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(zhuān)用接地井1個(gè)，該接地井與全廠(chǎng)接地網(wǎng)絡(luò)連接。
根據(jù)系統(tǒng)配置，采用電子布線(xiàn)系統(tǒng)后，按照以下兩個(gè)方案執(zhí)行：
a、機(jī)柜間儀表接地系統(tǒng)與主接地網(wǎng)接口方案。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間或CHARM機(jī)柜室的儀表總接地板與室外儀表專(zhuān)用接地極可靠連接，接地電阻要求小于1Ω。儀表專(zhuān)用接地極通過(guò)儀表接地井與電氣主接地干線(xiàn)連接。室內(nèi)儀表總接地板與室外儀表專(zhuān)用接地極連接時(shí)，不允許與建筑防雷引下線(xiàn)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(jī)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(jī)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(chǎng)裝置接地系統(tǒng)與主接地網(wǎng)接口方案。
布置在現(xiàn)場(chǎng)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(zhuān)用接地極應(yīng)可靠連接，接地電阻小于3Ω，儀表專(zhuān)用接地極通過(guò)接地扁鋼與電氣主接地干線(xiàn)連接。儀表總接地板與儀表專(zhuān)用接地極連接時(shí)，要求連接線(xiàn)與大地絕緣，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jī)組CCS等其他系統(tǒng)的保護(hù)接地接入電氣接地網(wǎng)，有特殊要求時(shí)可單獨(dú)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(shí)，計(jì)算機(jī)或DCS信號(hào)電纜的屏蔽層不得浮空，必須接至工作地接地板。
電子布線(xiàn)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)布線(xiàn)方式做了重大改進(jìn)，根據(jù)裝置的具體情況，可與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、HART等技術(shù)形成互補(bǔ)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，以電子布線(xiàn)技術(shù)為基礎(chǔ)的電子布線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)于后期變更多，增加I/O比較多的場(chǎng)合，有著廣泛的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
作者：解娜
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