控制系统布线解决方案是自控专业设计师需要重点考虑的问题，也是他们感到烦恼的揪心事。在自控专业的设计图纸中，涉及到接线、布线的图纸工作量大约要占到百分之五十。我们常常说，这一部分的工作最没有技术含量，但又最容易出错。说它没有技术含量，是因为一根线接到这个端子上就是对的，比如变送器输出的正端接到I/O卡的正端可能就对了，接到I/O卡的负端就错了。说它容易出错，是成百上千的端子要接线，接错一个两个可能性是有的，但接错了如果到试车过程还没有发现，小的影响是信号无法显示，如果是电源线接错了，则有可能造成板卡烧毁等较大的影响。
1、传统布线工程
早期的控制系统(如PLC、DCS)是将与过程相联的I/O模件集中在控制室的机柜里，通过并行总线由一台主计算机进行协调控制和管理，大量的信号需要通过电缆从现场引到控制室的I/O模件上。在工程设计中，一个自动化程度稍高的车间，自控专业设计所用电缆的长度超过100km是很常见的，图1为某现场多达九层的电缆桥架。
图1 现场电缆桥架
图2所示为控制系统传统布线方式的示意图，现场设备(包括变送器、调节阀等)的信号通过现场接线箱汇总，以多芯电缆的方式送到控制室配线柜的端子排，然后以单芯导线转接到控制系统的I/O模件上。
图2 控制系统传统布线方式示意图
由于端子排的接线顺序通常是按照多芯电缆的编号次序排列，同一根电缆中汇集的是位置靠在一起的各类现场设备，如变送器、分析仪表、调节阀、开关量等不同种类的信号，而I/O模件的配线组件是一个信号类别一个组件，如4-20mA输入、4-20mA输出、开关量输入等等，这样端子排到I/O模件的配线组件之间的配线相互交叉，看起来杂乱无章，令安装后的查线及日常维护都感到很麻烦(见图3)。
图3 传统控制系统布线方式
在自控工程设计时，我们需绘制每一个现场接线箱、每一个配线柜、每一个I/O模件的端子接线图。麻烦的不仅仅是设计师，还有盘柜箱生产线上的接线员、建筑安装单位的施工人员，他们是要一根一根接线的(见图3)。当然，工厂的管理维护人员也不会轻松，一个监测点故障的查线往往需要从源头的检测仪表一直查到控制系统的I/O模件。
传统布线方式是一对一接线贯穿始终，导线、电缆、桥架需要量大，换接点多，故障隐患点多，维护工作量大。自控设计师常常想：有没有什么办法能让布线方式简单一些，能让故障环节少一点？能让我们图纸工作量少一些？能让我们从这些没有任何技术含量的繁琐工作中解脱出来？
2、菲尼克斯快速布线
为了简化布线工作，最方便入手的是从控制室配线柜的端子排到控制系统的I/O模件这一段，人们在想，怎样将出配线柜端子排的多芯电缆能方便地连接到I/O模件上，于是一种带前适配器预制电缆的布线方式就出现了(见图4)。预制电缆也是多芯的，但它带编号，只要按编号顺序在配线柜端子排连接来自现场设备的信号线，另一端的前适配器直接插入控制系统I/O模件的对应输入插座上即可，取代了传统的螺钉接线或压接方式接线。
图4 用带前适配器的预制电缆代替多芯电缆的布线方式
菲尼克斯电气公司的INTERFACE快速布线系统采用了带前适配器预制电缆的布线方式，来自现场设备的信号线接入布线模块输入侧，而布线模块的孔式接头是输出侧，通过带前适配器预制电缆的针式插头连接，再通过前适配器接入控制系统的I/O模件。菲尼克斯电气公司曾为众多DCS、PLC厂家及直接用户提供快速布线系统(见图5)，采用这一系统的DCS、PLC厂家和产品有：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。
图5 INTERFACE快速布线系统
3、爱默生以太网布线
一般来说，快速布线系统简化的是控制室内配线柜与控制系统I/O模件之间的接线工作，布线的数量并未减少。而实际布线的大量工作是从现场接线箱到控制室之间的连线，其单根长度通常都是数百米，在这方面有简化的办法吗？爱默生过程管理(Emerson Process Management)公司2010年在DeltaV DCS V11版本的系统中推出采用了电子布线系统S系列产品，这一技术对传统布线方式作了重大改进。它将控制室内配线柜与控制系统I/O模件之间的一对一接线改为通过以太网通信(见图6)。
图6 配线柜与控制系统I/O模件之间采用以太网通信
图7为电子布线技术机柜布置示意图，每一排最上面是冗余配置的CHARM I/O卡，往下是8块底板，每块底板上可以插入12个CHARM CHARacterization Module，特性模块)，每个CHARM可选所需的I/O类型。每排96个CHARM通过底板上隐藏的数字总线将现场设备的信息传送到CHARM I/O卡，CHARM I/O卡再通过冗余的以太网连接到Delta V的I/O网络上[2]。因此，机柜只看到进CHARM的现场设备布线，而其余的布线因采用了数字总线技术，所以我们看不到杂乱无章的交叉布线，也看不到类似菲尼克斯电气INTERFACE快速布线系统的带前适配器预制电缆。
图7 电子布线技术示意图
与传统布线方式相比，电子布线具有以下几个方面的特点：
①按需配置I/O
由于每个CHARM的I/O类型可选，而不是像一般的控制系统是以I/O模件为单位选择I/O类型。I/O模件上的点数通常为8、16、32甚至64点，所以实际使用中的I/O模件往往有一定数量的闲置，现在按需配置I/O则可以用多少配置多少。万一CHARM损坏，也只影响一个点的信息，更换时也只更换一个CHARM，因此可以说是在单通道级别实现信号回路的独立性和灵活性。
②简化了设计和安装工作
在传统的布线方式里，现场设备的配线通常需要经过现场接线箱、布线、I/O柜到达控制器。当采用电子布线后，由于现场接线箱、布线、I/O柜等有的取消、有的大大简化。像机柜设计、现场接线箱设计、I/O柜端子排设计、现场接线箱端子排设计、电缆配置、管架配置、桥架配置等图纸设计工作量可完全省去或大部分省去，相应的安装工作量也可简化，特别是大量的端子接线、布线、配管、配线桥架、查线等工作量可减少70%左右。据爱默生过程管理公司对一个5500个I/O点的工程项目自控工程费用详细计算，得到的结论是电子布线费用为609.2万美元要比传统布线费用668.7万美元节省59.5万美元，占总费用的8.9%。
③可靠性
从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块，可用于一级和二级网络连接，同时每个独立的CHARM还配有冗余的电源和通信底板，因而保证了整个系统在I/O环节的可靠性。但是CHARM没有冗余，这是由于CHARM故障只影响一个通道，且可在线更换不影响其他CHARM的工作。
④灵活性
CHARM I/O卡往上可以通过以太网与4个独立的DeltaV S系列控制器通信，而不像传统的I/O只与1台控制器通信，这样组态时控制器可在更大的范围内选择某个I/O点。1台DeltaV S系列控制器可以分配到多达16个CHARM I/O卡，每个CHARM I/O卡可连接8个底板，每块底板上可插12个CHARM，即1个CHARM I/O卡往下可连接8×12=96个CHARM。
④更适应工程项目的变更
电子布线技术让工程项目的变更影响减少，大多数情况用户只需敷设到新增现场设备的布线，如果只是I/O类型变化(如液位开关量输入信号改为模拟量输入信号)，甚至不需要重新布线，从CHARM I/O卡以后更不需要增加或改动布线。因此，采用电子布线技术对现场设计到控制系统变动的容忍度较高，能适应工程项目在建设期间经常发生的各种临时变更要求，并能使这些变动所造成的成本增加幅度减少。
4、爱默生无线“布线”
一对一接线改为通过以太网通信，布线量减少了很多，但还是少不了以太网线。布线工作还能怎样更简化呢？流程行业无线通信技术用无线传输回答了这个问题(见图8)。
图8 配线柜与控制系统I/O模件之间采用无线通信
爱默生过程管理公司提供的WirelessHART无线解决方案中，有一种架构是DeltaV S系列无线I/O卡和781远程链路构成网关的无线通信系统，无线I/O卡本身就是DeltaV S系列控制器的一个I/O节点，可直接挂在控制网络上，无线I/O卡与781远程链路有线连接，781远程链路则和无线仪表以无线方式通信(见图9)。
图9 WirelessHART无线通信系统
除了必不可少的布线(如图1中无线I/O卡与781远程链路的连线)外，原来的布线传送信息全部由无线传输取代，所以导线、电缆、桥架大量节省。对自控设计师来说，涉及到接线、布线的图纸，如现场接线箱接线图、配线柜端子接线图、管线图、管线敷设图……基本都不用画了，可以看到这会给我们省多少事，然而更重要的是整个工程项目的投资也会大幅度节省，据部分工程项目统计，采用无线通信系统后，对应部分的投资将节省3-10%。
控制系统布线解决方案不是一个无关大局的小问题，它牵涉到自控专业设计、订货、设备制造、安装、使用等方方面面，也涉及工程项目投资、进度及建成后维护工作的便利性，因此，需要各方面人士对此关注和重视。
作者：方原柏
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