昌晖仪表针对某项目中现有机柜间空间和管廊承载力不足的问题，采用电子布线系统。电子布线系统以全新的I/O形式，通过可自定义信号类型的通道将端子柜的功能集成到系统内部，优化了系统性能，简化了设计安装工作，节省了时间成本。
1、电子布线系统概述
①电子布线技术特点
电子布线技术专注于过程自动化系统的集成、调试和试车运行等全过程，每个单独的I/O通道都可以通过电子布线分配至系统中的任意1台控制器中。
电子布线技术的核心是CIOC模块和CHARM模块，冗余的CIOC模块既可以布置在机柜间内的机柜中，也可以布置在现场的CHARM机柜内，CIOC模块结构如图1所示。CHARM模块通过底板上隐藏的数字总线将现场仪表的信息传送到CIOC模块上，可避免传统布线中大量的布线交叉。CHARM模块只有输入端配线，没有输出端配线。
图1 CIOC模块结构示意
②电子布线系统硬件组成
电子布线系统主要涉及以下硬件：
◆CIOC支架。该支架上安装1对冗余的CIOC模块，采用DIN导轨安装。
◆CIOC模块。控制回路的逻辑运算、数据运算及调节功能等均在CIOC模块上实现，此外CIOC模块还负责CHARM模块与控制器之间的通信。
◆底板。每块底板上可以安装12个CHARM插槽，每个插槽可以插入1只CHARM模块。同1块底板上可以安装不同类型的CHARM插槽。
◆CHARM插槽。CHARM插槽提供接线端子，以连接现场仪表和CHARM模块；CHARM插槽分为本安型和非本安型两类，其中非本安型CHARM插槽可提供标 准端子、带保险丝的电源端子、继电器端子。
◆CHARM模块。CHARM模块具有模数转换、信号隔离功能，每只CHARM模块相当于传统DCS的1个I/O通道。
◆控制器。电子布线系统的控制器与传统DCS的控制器硬件相同。
③电子布线系统特点
◆简化接线
电子布线系统接线时，现场仪表信号可单独传输或者通过接线箱汇集后传输至CHARM机柜。采用电子布线系统。信号的逻辑运算等通过冗余的CIOC模块完成，不同的CIOC模块之间采用光纤通信，对I/O通道可以任意指定控制器，该系统节省了编组柜。减少了潜在故障点，简化了机柜的接线工作。
◆可用性强
电子布线系统的高可用性主要体现在以下几个方面：
a、冗余性，除了CHARM模块以外，CHARM机柜内包括电源模块、CIOC模块以及CIOC模块至控制器之间的通信总线等均为冗余配置。
b、硬件适应性，电子布线系统硬件对操作环境要求宽松。能够适应绝大多数工况。
c、热插拔，每只CHARM块均支持手动热插拔；插入CHARM模块后，系统可自动定义I/O类型。
d、使用方便。任意信号可分配到任意控制器，每1对CIOC模块所连接的CHARM模块最多可以被分配到4台控制器：CHARAM插槽有复位按钮，方便更改CHARM模块的类型。
◆配置灵活
每对冗余的CIOC模块最多可配置8块底板，每块底板上可插入12只CIOC模块，每只CIOC模块接收1个仪表信号。CIOC机柜包含标准机柜、48点 CHARM机箱、96点CHARM机箱3种不同的规格，CHARM机柜可灵活选择直流24V和交流220V电源供电。
◆降低成本
采用电子布线系统，既可以降低资金成本，也可以降低时间成本。电子布线系统取消了机柜间的盘间电缆，简化了I/O通道的分配，减少了FAT测试工作。控制器和I/O通道的分离可以大幅提高机柜的设计效率，适应未来有可能出现的1/O通道变更。如果增加回路信号，或者调整控制器等均不需要调整原来的接线。此外在项目设计阶段系统设计、I/O通道分配工作可以和机柜设计同时进行，减少了设计时间。
2、电子布线系统的应用
①项目介绍
某改造项目中的新建装置中I/O点数较多，现场机柜间没有足够的空间放置机柜，外管廊也没有足够的空间和承载能力用于敷设电缆。采用电子布线系统可以节省现场机柜间面积、降低电缆消耗，并可避免频繁修改对接线设计的影响。
②网络架构
该装置采用艾默生公司的电子布线系统，与传统的DCS、无线仪表系统等均为Delta V系统的一部分，均可以直接连接到Delta V系统的主网和副网上。该装置与其他采用艾默生DCS的已建装置共用数据库，实现统一管理。
◆DCS与SIS可以连接在同1个Delta V系统网络中，数据交互采用数据调用的方式完成。
◆DCS的CIOC模块和控制器通过交换机进行数据通信，若控制器与CIOC模块之间的通信路径切断，不影响系统控制层面的运行。
◆DCS的控制器可以带扩展卡，方便成套设备等与DCS之间的通信现场机柜间内布置的CHARM机柜，直接通过光缆连接到机柜间的交换机，接入Delta V系统控制网络；布置在装置现场的CHARM机柜，通过现场的光纤分配盘将附近CHARM机柜的光缆集中到一起，然后将主光缆敷设到机柜间，再连接至机柜间的交换机接入Delta V系统控制网络。
③I/O配置
不同的信号类型通过不同的CHARM插槽配合不同的CHARM模块来解决。不同的信号类型，有不同的解决方案，该装置的I/O配置方案见表1所列。
表1 I/O配置方案
信号类型 危险区划分 解决方案
AI ; 非本安 AI卡+标准端子
AI 本安 本安AI卡+本安标准端子
AI 电气 本安AI卡+本安标准端子，仅用作隔离
AO 非本安 AO卡+标准端子
AO 本安 ; 本安AO卡+本安标准端子
AO 电气 本安AO卡+本安标准端子，仅用作隔离
DI干触点 非本安 DI干触点卡+标准端子
DI干触点 本安 本安DINamur卡+本安标准端子
DI干触点 电气 ; DI干触点卡+标准端子+继电器隔离(外加)
DI Namur 非本安 DI Namur卡+标准端子
DI Namur 本安 ; 本安DINamur卡+本安标准端子
DO直流24V 非本安 DO卡+标准端子。允许最大电流为100mA
DO直流24V 非本安 ; DO隔离卡+保险丝输电端子，允许最大电流为1A
DO直流24V 本安 本安DO卡+本安标准端子
DO直流24V 非本安 DO卡+标准端子+外接继电器
DO干触点 非本安 ; DO卡+继电器端子，适用于交流AC220V，允许最大电流为5A
DO干触点 电气 DO卡+继电器端子，适用于交流220V，允许最大电流为5A
该装置采用接线箱汇集信号，接线设计按照以下原则执行：
◆本安信号和非本安信号，接入不同的接线箱，经不同类型的电缆将信号传输至CHARM机柜。本安信号和非本安信号不能混合接入同1块底板内；
同1对CIOC模块，既可以连接本安型CHARM插槽，也可以连接非本安型的CHARM插槽。
◆该装置不采用RTD类型的CHARM模块，泵的轴承/转子测温信号接入独立的内设卡件式温度变送器的接线箱内，通过温度变送器转为4-20mA信号后接入CHARM机柜。
◆电磁阀信号独立设置接线箱，不与其他信号共用；且220V电磁阀信号不能与24V电磁阀信号共用接线箱。
◆其余模拟量信号和包含阀位反馈的开关量信号可共用同1只接线箱。
◆不设现场配电箱，由电源柜直接给电磁流量计、质量流量计、音又开关等供电。
⑤电子布线系统实施方案
该电子布线系统的具体实施方案如下，
◆现场仪表信号经接线箱汇总后，接入现场CHARM机柜。
◆泵的运行/故障等电气信号接入现场机柜间的CHARM机柜，系统的控制器布置在现场机柜间内。
◆布置在现场的CHARM机柜，为了防止柜内温度偏离硬件设备的工作温度（－40~70℃)，保证CHARM模块的防爆认证等满足规范要求，增强机柜的防护性能，设置了防护小屋。CHARM机柜布置于小屋内，小屋内设置空调系统，以保证系统可靠运行。
◆按照接线设计原则。每10个仪表信号接入1只接线箱，采用多芯电缆，经CHARM机柜底部定制的单格兰安装板，将信号从接线箱送至CHARM机柜。
◆根据现场仪表的布置，该装置设置了2个防护小屋，小屋布置在装置的边缘，远离震动源。
◆在执行过程中，成套机组/设备的PLC接至位于现场机柜间内的控制器扩展卡上，同时每面CHARM机柜的前5个通道留作机柜监测，第一通道监测机柜内温度。第二通道监测机柜内直流24V电源状态，其他通道根据情况另行定义。
3、电子布线系统应用探索
电子布线系统是一种新型的控制系统，其应用尚处于探索阶段，并没有足够的成熟案例可以参考，在应用时，与传统DCS相比还需要特别注意其防爆、供电系统、接地系统的设计。下面昌晖仪表以艾默生以太网布线为例介绍电子布线系统的应用。
①防爆设计
CHARM机柜布置在现场，环境中存在的爆炸性危险气体会侵入到机柜的内部，严重影响柜内设备的可靠运行，理论上电子布线系统的所有硬件设备均可在2区工作，但是220V电磁阀DO类型的CHARM模块仅通过了无火花认证，未通过增安认证，且可参考的案例不多。为了满足规范要求，该装置采用补偿式正压防爆小屋，即当内部的保护气体泄漏时，可根据泄漏量的大小，连续或间歇地补充保护气体，从而保持小屋内部正压，实现防爆功能。主要措施有以下几点：
a、小屋底部进线，不得破坏外壳的正压防爆性能。小屋底部的电缆进线孔根据小屋内CHARM机柜的布置、现场电缆的规格及数量设置，电缆通过增安型防爆格兰引入小屋内。
b、小屋采用的材质为304SS不锈钢，具有良好的阻燃性。能耐最高表面温度135℃而不损坏正压防爆性能。
c、小屋的抗压能力要大于正常运行时所规定的最大正压值的1.5倍，并能够承受GB3836.1-2010《爆炸性环境第1部分，设备通用要求》规定的冲击试验。
d、小屋内设置正压报警装置，防止保护气体供给系统出现故障导致的小屋内部正压超压。
②供电系统的设计
为了保证电子布线系统的可靠运行，最大限度地降低由电源异常造成的影响，装置建设时需要设计一个安全、性能可靠的供电系统。电子布线系统的供电系统包括：控制器供电，CHARM机柜供电，电磁阀等有源DO信号供电，现场仪表供电。该装置配置了2套冗余的UPS，UPS主电源和旁路电源由不同的母线供电，保证了供电可靠且能实现无扰动切换。双UPS并联供电方案如图2所示。
图2 双UPS供电方案示意
电子布线系统双电源的负载主要包括，控制器、服务器、现场CHARM机柜等，只要有1路UPS正常工作，则双电源负载就可以正常运行。单电源负载主要包括：操作站、交换机、现场仪表等，每路UPS分别给半数的操作站/交换机供电，假如有1路UPS故障，另外1路也能保证半数操作站/交换机可以正常运行，以便有足够的时间做出应急处置，说明如下：
◆CHARM机柜的供电。每个小屋内设置1面电源分配柜，电源分配柜由布置在现场机柜间内的双路UPS提供电源；现场布置的CHARM机柜由电源分配柜提供2路冗余交流220V电源。每面CHARM机柜配置1对20A电源模块给柜内CHARM模块和光电转换器等提供电源。
◆控制器的供电。控制器布置在现场机柜间内，为双电源负戟，其电源来自2路冗余的UPS。
◆电磁阀的供电，该装置使用的电磁阀供电电压为220V，由CHARM机柜给每块可能配置DO类型CHARM模块的底板供电，底板上有专用的电源接线端子，只要接通电源，则12块底板上的任意通道只要插入相应的DO类型CHARM模块就可以实现为电磁阀供电。
◆现场四线制仪表的供电。该装置所使用的四线制仪表有交流220V和直流24V两种供电方式。所有需要交流220V外供电的仪表，均由电源分配柜直接供电。直流24V供电仪表有两种情况，分布较集中区域采用小屋电源柜直接供电的方式；若需要供电的仪表布置相对分散，且处于非防爆区，可通过在CHARM机柜内CHARM模块给仪表供电，如果采用这种供电方式，则相应CHARM机柜需要另外增加单独的电源模块。
③接地系统的设计
现场CHARM机柜通过工作接地板和保护接地板接地，为了保证电子布线系统的稳定运行，该装置的接地系统，要符合HG/T20513-2014《仪表系统接地设计规范》以及系统生产厂家的接地要求。
现场信号的屏蔽线接至工作接地板。由于工作接地要求绝缘，因而其与保护接地汇总前应相互进行隔离。该装置框架内每个布置CHARM机柜的楼层均设置若干独立的工作接地板，此外，在该装置框架内还设置了若干保护接地板，各工作接地板之间和各保护接地板之间不串联，直接接至仪表总接地板。仪表总接地板通过专用接地极与全厂等电位接地网连接。为了方便检査接地电阻，该装置设置仪表专用接地井1个，该接地井与全厂接地网络连接。
根据系统配置，采用电子布线系统后，按照以下两个方案执行：
a、机柜间仪表接地系统与主接地网接口方案。现场机柜间或CHARM机柜室的仪表总接地板与室外仪表专用接地极可靠连接，接地电阻要求小于1Ω。仪表专用接地极通过仪表接地井与电气主接地干线连接。室内仪表总接地板与室外仪表专用接地极连接时，不允许与建筑防雷引下线直接连接。仪表总接地板的数量、位置以接地极的接地电阻按照HG/T20513-2014执行，机柜间仪表接地系统与主接地网接口方案如图3所示。
图3 机柜间仪表接地系统与主接地网接口方案示意
b、现场装置接地系统与主接地网接口方案。
布置在现场装置区的仪表总接地板或者采用带锁的仪表接地箱，与室外仪表专用接地极应可靠连接，接地电阻小于3Ω，仪表专用接地极通过接地扁钢与电气主接地干线连接。仪表总接地板与仪表专用接地极连接时，要求连接线与大地绝缘，现场装置仪表接地系统与主接地网接口方案如图4所示。
图4 现场装置仪表接地系统与主接地网接口方案示意
c、如成套机组CCS等其他系统的保护接地接入电气接地网，有特殊要求时可单独设置接地极，但不允许在建筑内或装置内与仪表接地系统连接。同时，计算机或DCS信号电缆的屏蔽层不得浮空，必须接至工作地接地板。
电子布线技术对传统布线方式做了重大改进，根据装置的具体情况，可与现场总线、无线、HART等技术形成互补，发挥各自的优势，以电子布线技术为基础的电子布线系统对于后期变更多，增加I/O比较多的场合，有着广泛的应用优势。
作者：解娜
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