方原柏

（昆明有色冶金設計研究院，昆明650051）

愛默生過程管理（Emerson Process Management）公司2010年在DeltaV系統(tǒng)V11版本中推出采用電子布線技術的S系列產品。在V11版本中，電子布線與傳統(tǒng)布線、現(xiàn)場總線、無線HART等可以共存于同一個系統(tǒng)中，如圖1所示。電子布線主要用在采用傳統(tǒng)布線方式的場合，它對傳統(tǒng)布線方式作了重大改進，根據(jù)生產現(xiàn)場不同的情況及客戶的喜好，與現(xiàn)場總線、無線HART等技術形成互補，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢［1］。

圖1 DeltaVTM V11版本的多種布線方式

電子布線綜合應用了現(xiàn)場總線技術、遠程I／O技術及I／O on Demand（按需配置I／O）技術，為用戶提供了優(yōu)化的系統(tǒng)性能，簡化了設計和安裝工作。

1 電子布線簡介

1.1 傳統(tǒng)布線回顧

1.2 電子布線的核心組件

電子布線的核心是2個新的組件：特性模塊CHARM和CHARM I／O卡。CHARM可看作是一個單通道I／O；CHARM I／O卡是2塊冗余配置，可看作是一個I／O節(jié)點，每一對CHARM I／O卡往下可掛接多塊安裝在DIN導軌上的底板，每塊底板上可以插入12個CHARM。之所以一塊底板上選用CHARM的安裝個數(shù)為12，主要是為了與現(xiàn)場使用較多的12，24，36芯電纜配合［2］。

底板上為每個CHARM固定設置了4個接線端子的端子塊，端子塊上面覆蓋了標簽，可標出通道號及儀表位號，端子塊上還帶可插標準表筆的測試點。底板上在每個CHARM插入位置上有可設定的“鎖”位置，對應不同的I／O信號，“鎖”的位置不同。比如是AI類型的CHARM，“鎖”位置一旦設定，當AI CHARM發(fā)生故障后拔出來時，可插入同樣的AI CHARM，而其他類型的I／O CHARM因“鎖”位置不合，無法插入，保證了更換模塊的正確性。但當該模塊確實需要更改I／O類型時，應首先重新設定“鎖”的位置，然后才能插入新I／O類型的模塊。當CHARM從底板上取下來時，只是CHARM斷開了與端子塊的連接，而端子塊接線端子上引到現(xiàn)場設備的接線并未斷開。

CHARM有輸入端配線，但不需要輸出端配線。因為多個CHARM是通過底板上隱藏的數(shù)字總線將現(xiàn)場設備的信息傳送到CHARM I／O卡上，所以傳統(tǒng)布線中見到的大量交叉布線消失了。

2 電子布線特點

2.1 簡化了設計和安裝工作

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、有的大幅簡化，線路轉接次數(shù)少，部分設計圖紙可取消，相應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%。

2.2 按需配置I／O

由于每個CHARM的I／O類型可選，且以I／O卡件為單位選擇，而I／O卡件上的通道數(shù)通常為8，16，32甚至64點，所以實際使用中I／O卡件往往有一定通道數(shù)量閑置，現(xiàn)在按需配置I／O則可以用多少配置多少。若CHARM損壞，也只影響一個通道的信息，不像多點卡件影響整個卡件的工作；更換時也只更換一個CHARM，而不是更換整個卡件。因此，可以說電子布線是在單通道級別實現(xiàn)了信號回路的獨立性和使用的靈活性。

2.3 可靠性

除CHARM沒有冗余外，從CHARM到DeltaV S系列控制器的所有環(huán)節(jié)都是冗余的：CHARM I／O卡、與I／O網絡相聯(lián)的以太網通信模塊、向CHARM I／O卡供電流的24V電源、冗余總線連接CHARM I／O卡每一個通道的電源分配器、CHARM的信號連接到冗余總線的通信收發(fā)器、CHARM的信號連接到冗余總線的24V（DC）回路電源。

CHARM沒有冗余是由于CHARM的任何故障都限制在這一個回路，只影響這一個通道。CHARM工作時內部連續(xù)進行診斷，以確認CHARM在電源、通信總線兩方面的可用性，否則發(fā)出預測硬件報警。當需要在線更換時可以“熱插拔”方式不需任何工具快速更換，無需拆除端子塊上的現(xiàn)場接線，因而平均修復時間很短，且修復時不影響其他CHARM的工作［3］。

2.4 靈活性

無需考慮各種類型多點I／O卡件如何選擇，單通道的CHARM及底板上12點CHARM類型可任意選擇，這使電子布線具有最大的靈活性。可根據(jù)現(xiàn)場I／O點數(shù)量、集中分散程度、防爆要求選擇機柜式電子布線、現(xiàn)場接線箱式電子布線兩種方式。

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在DeltaV V11版本系統(tǒng)的S系列產品中，電子布線可以與現(xiàn)場總線，無線HART，傳統(tǒng)布線共存，因而可根據(jù)需要選擇更合理、更經濟的布線方式。

2.5 節(jié)省投資

電子布線可以減少控制器、機柜的數(shù)量及接線的工作量。以機柜為例，在傳統(tǒng)布線方式的機柜里，單面機柜通常能容納160點I／O的布線，而同尺寸的電子布線單面機柜可容納288點I／O的布線，約增加了80%的I／O的布線量。同時，機柜里的CHARM I／O相當于多塊I／O卡件，也為控制器和I／O機柜騰出了空間［4］。

對一個典型項目的配置計算表明：相對于傳統(tǒng)布線方式，電子布線可減少32%的DeltaV控制器、40%的機柜、90%的內部配線。對另一個使用了2 500個網段組成的系統(tǒng)配置計算表明：相對于現(xiàn)場總線方式，電子布線可減少7%的項目總費用［5］。

按規(guī)范要求，DCS工程設計要求I／O卡件10%～15%的備用量，機柜卡件安裝空間10%的備用量。由于卡件是多點的，實際備用量往往超出以上數(shù)據(jù)。現(xiàn)在按需配置I／O，需備用的CHARM數(shù)量及機柜空間均可大幅減少。

2.6 更適應工程項目的變更

在工程項目中，現(xiàn)場布線I／O設計應該在現(xiàn)場開始布線之前完成，但實際情況卻不同。由于設計的不確定性，I／O點的數(shù)量和類型會發(fā)生或多或少的變化，迫使增加新的I／O卡件和更改原有布線，甚至還要求提供新的機柜來容納新增的I／O卡件。某些現(xiàn)場施工結束時，設計人員常會發(fā)出幾十張甚至數(shù)百張設計修改通知單，I／O數(shù)量變化、I／O類型變化將造成傳統(tǒng)的布線方式中端子接線、機柜配線、電纜數(shù)量等方面較大的改動工作量，增加了項目投資、延緩了項目投產時間，如圖2所示［2］。

圖2 現(xiàn)場布線I／O設計對項目進度的影響

采用電子布線技術可使工程項目的變更影響減少，大多數(shù)情況用戶只需敷設從機柜（現(xiàn)場接線箱）到新增現(xiàn)場設備的管線。若只是I／O類型變化，則不需要重新布線，而從CHARM I／O卡以后一般不需要增加或改動布線。因此，采用電子布線技術對現(xiàn)場涉及到控制系統(tǒng)變動的容忍度較高，能適應工程項目在建設期間經常發(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［6］。

3 電子布線設計要點

3.1 應用場合

根據(jù)生產現(xiàn)場不同的情況和客戶的偏好，每種布線技術都有其理想的應用領域。使用現(xiàn)場總線，新建裝置將具有較低的生命周期成本；無線技術則用在有線技術過于昂貴或者不可行、沒有電源供電、改造項目需快速實施等場合；電子布線技術將減少空間需求、減少布線工作量，可向HART儀表提供改進的診斷功能并使系統(tǒng)擁有更大的靈活性。由于DeltaV V11版本中，電子布線與傳統(tǒng)布線、現(xiàn)場總線、無線HART等可以共存于同一個系統(tǒng)中，因而電子布線與現(xiàn)場總線技術、無線技術將會形成互補。

3.2 核心部件的功能

CHARM的基本功能：信號調制；模／數(shù)轉換；現(xiàn)場儀表供電；對線路故障的隔離保護；作為隔離現(xiàn)場布線的斷開裝置；提供最新的HART V7模式，支持更多的靈活性和更豐富的診斷功能［3］。其中，“對線路故障的隔離保護”指的是任何與現(xiàn)場回路有關的問題，如短路、接地故障等都被隔離并限制在這一個回路，絕不會影響其他回路；“作為隔離現(xiàn)場布線的斷開裝置”指的是當從底板上拔除CHARM時，無需拆除端子塊上的現(xiàn)場接線，即可斷開現(xiàn)場布線。

CHARM I／O卡和與之相連的所有CHARM可被認為是一塊具有單通道完整性和單通道隔離的最多96通道I／O卡件。通過帶光纖或銅介質的通信模塊，以100M冗余以太網方式與DeltaV控制網絡相連。光纖通信模塊可直接連接到交換機；銅介質的通信模塊以串口方式連接多個CHARM I／O卡后，與交換機的一個接口相連。CHARM I／O卡往下通過底板與CHARM連接。

3.3 系統(tǒng)的規(guī)模

DeltaV S系列控制器最多可與16對冗余配置的CHARM I／O卡相連，每一對CHARM I／O卡往下可掛接8塊安裝在DIN導軌上的底板，每塊底板上可以插入12個CHARM，即總共96點I／O。這樣一臺DeltaV S系列控制器可以連接16×96＝1 536個CHARM，即1 536個任意信號類型組合的I／O。

3.4 CHARM的I／O類型

CHARM的I／O類型：AI 4～20mA HART；AO 4～20mA HART；DI NAMUR（德國標準，用于接近開關等）；DI 24V（DC）干接點；DO 100mA能量限制；熱電偶（mV）；熱電阻；AI 0～10V隔離；DO 24V（DC）High Side；DI 24V（DC）隔離；DO 24V（DC）隔離；DI 120V（AC）隔離；DI 230V（AC）隔離；DO 120／230V（AC）隔離。

AI／AO CHARM的每一個通道中都有一個HART調制解調器，相對于多通道I／O卡件共享一個HART調制解調器而言，電子布線的HART通信速度更快。同時電子布線支持最新的HART V7標準，使之具有更多的靈活性和更豐富的診斷功能［7］。

3.5 電子布線方式

3.5.1 機柜式電子布線

圖3為機柜電子布線示意圖，標準機柜尺寸為800mm×2 000mm（寬×高），型號SE7001為前開門機柜，深度為600mm，型號SE7002為前后開門機柜，深度為800mm。機柜內每一面豎向布置三排，每一排最上面是冗余配置的CHARM I／O卡，往下是插入12個CHARM的8塊底板，即一個SE7001前開門機柜可容納3×96＝288點I／O的布線，一個SE7002前后開門機柜可以容納6×96＝576點I／O的布線［8］。

圖3 機柜電子布線示意

3.5.2 現(xiàn)場接線箱式電子布線

圖4為現(xiàn)場接線箱式電子布線示意圖，標準現(xiàn)場接線箱尺寸為800mm×1 000mm×300mm（寬×高×深），其上部配置冗余的CHARM I／O卡，往下是插入12個CHARM的4塊底板，即每一對CHARM I／O卡總共可接入48個I／O信號。

圖4 現(xiàn)場接線箱電子布線示意

3.6 CHARM I／O與控制器的連接

以往一個傳統(tǒng)的I／O卡件只能連接到1臺DeltaV控制器，而1對CHARM I／O卡往上可以通過以太網與4個獨立的控制器通信，這樣組態(tài)時控制器可在更大的范圍內選擇某個或多個I／O點［7］。

筆者曾了解一個工程控制要求的實施案例。上海臨港燃氣電廠有4套350MW燃氣機組，生產現(xiàn)場參數(shù)檢測采用有線變送器，所測量的過程信息傳送到DCS。4套機組配有4套DCS，2套 DCS共用一個控制室，各套DCS之間完全隔離，但又要求控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，要保障其他機組的DCS操作站可以監(jiān)視故障機組最重要的25個參數(shù)。

按此要求系統(tǒng)常規(guī)采用了無線方案，即4套機組每套配1臺OneWireless多功能節(jié)點作為其網關，上述最重要的25個參數(shù)采用無線變送器將數(shù)據(jù)傳送到多功能節(jié)點，再通過Modbus RTU協(xié)議以RS－485方式有線接入DCS。這4臺多功能節(jié)點構成無線主干網絡，每套鍋爐機組的無線數(shù)據(jù)通過自己的多功能節(jié)點可集中匯入統(tǒng)一的無線數(shù)據(jù)庫，從而每套DCS不但可以通過自己的多功能節(jié)點獲得本機組的無線數(shù)據(jù)，同時還可以獲得其他3個機組的無線數(shù)據(jù)。如果控制系統(tǒng)采用的是DeltaV S系列控制器，這一要求應該也可以采用電子配線的方式解決，上述最重要的25個參數(shù)可利用原有的普通有線變送器，將信號接入位于每套機組的現(xiàn)場接線箱，而每一個現(xiàn)場接線箱中的CHARM I／O卡通過以太網可以與4套機組中DeltaV系統(tǒng)的各個控制器通信，從而實現(xiàn)要求的功能且無需增加無線變送器。

3.7 防爆區(qū)域應用

當采用現(xiàn)場接線箱式電子布線時，可按歐洲或北美爆炸危險區(qū)域分類要求選擇相應型號的現(xiàn)場接線箱。

3.8 設計圖紙工作量

在傳統(tǒng)的布線方式里，現(xiàn)場設備的配線通常需要經過現(xiàn)場接線箱、布線、I／O柜到達控制器，相應的設計內容大體就有14項：確定I／O表、確定控制器規(guī)模、電源設計、接地設計、P＆ID圖、過程說明、安裝圖、機柜設計、現(xiàn)場接線箱設計、I／O柜端子排設計、現(xiàn)場接線箱端子排設計、電纜配置、管架配置、橋架配置。當采用電子布線后，由于現(xiàn)場接線箱、布線、I／O柜等有的取消，有的大幅簡化，所以上述工作量僅留下確定I／O表、確定控制器規(guī)模、電源設計、接地設計、P＆ID圖、過程說明、安裝圖、現(xiàn)場接線箱（或機柜）電子布線端子排設計等8項，相應的安裝工作量也可簡化［10］。

4 結束語

自控制系統(tǒng)（PLC，DCS等）問世以來，雖然人們的主要精力集中在控制系統(tǒng)的類型、功能、軟件、應用這幾個方面，但是由于從現(xiàn)場檢測設備到控制室之間的一對一的布線工作量實在是太大了，電纜、橋架以及敷設人工費用往往超出控制系統(tǒng)的費用，所以在布線方面人們也在不斷摸索、不斷改進，電子布線技術取代傳統(tǒng)布線方式、遠程I／O布線方式的優(yōu)勢明顯，而在某些場合，與現(xiàn)場總線相比也具有冗余度高、投資省等優(yōu)點。

［1］ 愛默生過程管理.DeltaVTMDigital Automation System Overview［EB／OL］.［2011－11－07］.http：www.Emerson.Process.com.

［2］ 愛默生過程管理.DeltaV CHARMs Commissioning［EB／OL］.［2011－11－07］.http：www.Emerson.Process.com.

［3］ 愛默生過程管理.Electronic Marshalling Robustness and Performance［EB／OL］.［2011－11－07］.http：www.Emerson.Process.com.

［4］ PETTUS N.簡化連接［J］.亞洲控制工程，2011（03－04）：20－22.

［5］ Emerson Process Management.The New Paradigm［J］.Control，2010（06）：6－9.

［6］ 愛默生過程管理.Electronic Marshalling Overview［EB／OL］.［2011－11－07］.http：www.Emerson.Process.com.

［7］ Emerson Process Management.Redefining the Project Path［J］.Control，2010（06）：10－13.

［8］ 愛默生過程管理.Factory Tested Cabinets［EB／OL］.［2011－11－07］.http：www.Emerson.Process.com.

［9］ 愛默生過程管理.Factory Tested Field Enclosures［EB／OL］.［2011－11－07］.http：www.Emerson.Process.com.