1、影響安全柵柜設計的因素
在工程項目中，安全柵柜需和DCS系統一起統籌規劃、同步設計，要想設計出布局合理的安全柵柜，需要考慮以下幾個主要因素。
①機柜規格
機柜規格決定了機柜內的可用空間，影響項目所需機柜的數量，而機柜的數量決定了機柜間的面積，因此工程中會對項目選用的機柜規格做出明確的規定。目前石油化工行業普遍采用的是2100mm(高)×800 mm(寬)×800 mm(深)(包括底座)的標準機柜，機柜前后單開門。下文中機柜容量均按該規格進行計算。
②安全柵
安全柵的外型尺寸、供電方式、安裝方式是設計安全柵柜時需重點考慮的幾個方面：外型尺寸決定了機柜中能安裝安全柵的數量；供電方式影響安全柵柜內布置24VDC供電端子的數量；安裝方式影響安全柵柜的布局思路。目前石化行業工程中最常用的安全柵品牌有MTL和P+F，具體產品有：DIN導軌安裝的MTL5000、MTL5500(可選菊花鏈供電方式)和KF、KC(軌道供電)系列；國內化工及電力等行業常用安全柵和信號隔離器品牌有上海辰竹、南京優倍、昌暉儀表YR9000、北京平和創業、蘇州迅鵬、南京帕羅肯、維盛新儀、鄭州穩鈦克等諸多廠家產品，本文主要以進口安全柵舉例。底板安裝型(底板供電)的MTL4000、MTL4500及HiD、HiC(缺少溫度信號產品)系列；厚度約為15.8-20 mm(HIC厚度為12.5mm)。除去供電端子排等必需設備占用的空間，每個機柜約有1500mm的安全柵布置空間，如按正反面各安裝兩列安全柵計算，每個機柜可安裝250-300個安全柵。項目前期時可根據項目中熱電偶(阻)輸入柵、模擬量輸入柵、模擬量輸出柵的數量，按照每個機柜安裝200-250個安全柵的能力來估算安全柵柜的數量。和DIN導軌安裝的安全柵相比，底板安裝的安全柵可以直接插接在端子板上(支持熱插拔)，且端子板可通過預先裝配的系統電纜直接和DCS卡件連接，能大大減少安裝和接線的工程量，縮減開車時間，并可節約30%左右的機柜空間。
目前底板安全柵無法完全取代導軌安全柵的主要原因有：
a、廠家少，目前只有MTL有完整的產品系列，P+F的HiD、HiC缺少溫度信號產品，存在獨家招標問題，無法滿足招標法的要求；
b、目前沒有和國內DCS系統相配套的端子板，當選用國內DCS系統時優勢不明顯。
③24VDC直流電源
目前工程中多采用通過安全柵給現場關聯儀表供電，根據《石油化工儀表供電設計規范》中相關規定，24VDC直流穩壓電源可按1:1冗余和N:1冗余配置。按1:1冗余原則設計安全柵柜供電時，通常是在每個安全柵柜內設置兩塊24VDC直流穩壓電源以及一塊負載平衡模塊，配置成1:1冗余直流穩壓電源供電模塊。因該方案中各電源僅負責本柜內用電設備的供電，功能明確，不存在跨柜供電問題，同時因該方案中選用的電源產品性能一般，價格低，DCS系統集成商多選用該配置方案，該類電源品牌主要有Siemens、Pheonix、臺灣明緯等。
按N:1冗余原則設計安全柵柜供電時，通常是將N+1冗余直流穩壓電源模塊集中布置在一面安全柵柜中(電源模塊多時也可設置獨立的24VDC電源柜)，負責給DCS系統內所有現場24VDC儀表供電。該方案中選用的電源模塊內部設有運行保護電路(內藏解耦二極管)和負載平衡功能，電源模塊可在線更換或擴展，性能可靠；該類電源品牌有P+F、Moore等，但因該類電源產品價格較高，DCS系統集成商不會主動選用該方案。
④DCS卡件形式
DCS系統既有端子板卡件，也有連接型卡件。近年來，因端子板卡件存在允許的電纜外徑較小、維護不方便等缺點，而連接型卡件的端子板可和安全柵柜同柜安裝，且自端子板至卡件可采用專用電纜，可有效的減少接線工程量，降低工程成本，因此得到較多的工程應用。
⑤其它因素
除了以上因素外，還有一些因素影響安全柵柜的設計，主要有以下兩點：
a、是否設置一次端子。這主要和項目總體要求及用戶習慣及有關，規范沒有強制要求。一次端子大多布置在安全柵柜的側面，個別項目也獨立設置端子柜。
b、是否設置浪涌保護器。這主要根據當地年平均雷暴天數來確定。如需要一般是和安全柵同柜布置(左右或前后相鄰，并一一對應)，便于接線。
2、合理的安全柵柜設計模式
根據多個項目實踐，圖1所示的設計模式符合大部分人員的設計習慣：
圖1 安全柵柜設計模式
下面對該設計模式進行介紹。
①整理I/O清單
接到I/O清單后，要先了解本項目工藝裝置有那幾個單元組成、各單元I/O數量，然后對I/O清單進行整理，根據項目DCS卡件的類型對I/O信號進行詳細分類。常見的I/O類型分類見表1。
表1 常見的I/O類型
信號類型 描述
AI(S) 2-Wire 兩線制模擬量輸入，系統為儀表供電
AI(S) 4-Wire 四線制模擬量輸入，儀表需外供電
AI(R) 2-Wire 兩線制模擬量輸入，系統為儀表供電，系統卡件為冗余配置
AI(R) 4-Wire 四線制模擬量輸入，儀表需外供電，系統卡件為冗余配置
AO(R) 兩線制模擬量輸出，系統為儀表供電，系統卡件為冗余配置
DI 離散量輸入
DI(R) 離散量輸入，系統卡件為冗余配置
DO 離散量輸出 DO(R) 離散量輸出，系統卡件為冗余配置
T/C 熱電偶信號輸入(注：僅個別DCS系統支持冗余配置)
RTD 熱電阻信號輸入
PI 脈沖信號輸入
RS485 通訊信號
②分配控制器
熟悉完I/O清單后，設計人員要先核實技術協議中控制器的數量是否滿足項目當前的需求，如無問題就可根據控制器性能對現場信號分配控制器，分配時應盡量保證各控制器負荷均衡。工程中最常用的是根據工藝單元對現場信號分配控制器，通過對各單元I/O數量進行組合，兼顧控制回路的數量以及工藝操作崗位緊密程度。該分配方式容易掌握，具有很強的工程實用性； I/O清單一旦確定就可開始DCS系統的設計工作，有利于節省項目的建設周期。分配中要避免將一個控制回路的信號分配到不同的控制器中，各DCS系統均不推薦這種分配方式。
③分配I/O通道
完成控制器分配后，接下來要對控制器內各卡件的I/O通道進行分配。根據DCS系統卡件類型，按照前面細分過I/O類型的信號清單，逐類按卡件依次分配通道，分配時可以在每塊卡件中備用1-2個通道，也可整卡備用；要避免將不同類型的信號分配到同一塊卡件中，否則會對后期的接線圖的設計、機柜集成產生不利的影響。
個別項目也會按現場多芯電纜內信號來分配卡件，以避免出現一根多芯電纜內信號接至多面安全柵柜的情況。但該方案會產生以下問題：安全柵柜及DCS系統設計必須等接線箱分配完成后才能開展，影響工期；因接線箱必須嚴格按照表1的信號類型進行設計，設計難度增大，接線箱用量增多，分支電纜長度較長，不便于施工；受儀表實際位置影響，常出現將一個控制回路信號分別排布在不同控制器情況。根據以往工程經驗，該分配方案不合理，項目實施中問題較多，應避免采用。
④規劃安全柵柜布局
以上工作完成后，就可以著手規劃安全柵柜的具體布局了。受DCS系統卡件類型的限制，工程中多采用按安全柵類型分別設置安全柵柜方案(如個別項目安全柵數量較少可正、反面乃至按列集中排布)，很少采用混合排布方案。按安全柵類型集中排布將有助于機柜集成及后期維護。
確定好每個安全柵柜的功能后，就可以根據安全柵安裝方案、電源配置方案來規劃每個安全柵柜內的具體布局了。正常情況下，安全柵柜上方一般布置220VAC斷路器及24VDC直流穩壓電源和供電端子排，下方排布安全柵。安全柵可按DCS卡件I/O通道的信號進行排布，二者一一對應；當端子板和安全柵同柜布置時，可以分布在機柜的兩面，方便二者之間的接線。此外，工程中安全柵、端子、DCS I/O通道會按一定的比例設置備用量，這些設備應按備用安全柵(端子)、備用I/O通道一一對應的原則進行排布，方便后期變更。圖2、圖3為工程中常用的兩種安全柵柜布置方案，供大家參考。
圖2 導軌型安全柵柜布置
圖3 底板型安全柵柜布置(左圖為安全柵柜正面，安裝底板安全柵；右圖為安全柵柜背面，安裝端子或浪涌保護器)
⑤繪制安全柵柜布置圖和接線圖
當安全柵柜內布局規劃完畢并經用戶及設計院確認后，就可以繪制安全柵柜布置圖和接線圖交給工廠進行機柜集成了，機柜集成中如有問題可根據實際情況對圖紙進行局部修改。
通過洛陽石化、湛江東興石化、呼和浩特石化公司等多個工程項目的檢驗，昌暉儀表分享的安全柵柜設計模式具有相當的合理性，可以有效的減少因機柜布局不合理引起的各種問題，規范項目中各DCS系統集成商安全柵柜設計模式，提高工作效率，保證了項目安全柵柜的整體設計水平。該模式對設計儀表同行具有一定的借鑒意義，能在一定程度上提高安全柵柜的設計水平。
作者：司利剛
