文章介紹電子布線技術及電子布線系統特點，昌暉儀表結合應用案例總結了電子布線系統在過程控制應用中關于防爆、供電、接地等方面的經驗供大家參考。
昌暉儀表針對某項目中現有機柜間空間和管廊承載力不足的問題，采用電子布線系統。電子布線系統以全新的I/O形式，通過可自定義信號類型的通道將端子柜的功能集成到系統內部，優化了系統性能，簡化了設計安裝工作，節省了時間成本。
1、電子布線系統概述
①電子布線技術特點
電子布線技術專注于過程自動化系統的集成、調試和試車運行等全過程，每個單獨的I/O通道都可以通過電子布線分配至系統中的任意1臺控制器中。
電子布線技術的核心是CIOC模塊和CHARM模塊，冗余的CIOC模塊既可以布置在機柜間內的機柜中，也可以布置在現場的CHARM機柜內，CIOC模塊結構如圖1所示。CHARM模塊通過底板上隱藏的數字總線將現場儀表的信息傳送到CIOC模塊上，可避免傳統布線中大量的布線交叉。CHARM模塊只有輸入端配線，沒有輸出端配線。
圖1 CIOC模塊結構示意
②電子布線系統硬件組成
電子布線系統主要涉及以下硬件：
◆CIOC支架。該支架上安裝1對冗余的CIOC模塊，采用DIN導軌安裝。
◆CIOC模塊。控制回路的邏輯運算、數據運算及調節功能等均在CIOC模塊上實現，此外CIOC模塊還負責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CHARM插槽，每個插槽可以插入1只CHARM模塊。同1塊底板上可以安裝不同類型的CHARM插槽。
◆CHARM插槽。CHARM插槽提供接線端子，以連接現場儀表和CHARM模塊；CHARM插槽分為本安型和非本安型兩類，其中非本安型CHARM插槽可提供標 準端子、帶保險絲的電源端子、繼電器端子。
◆CHARM模塊。CHARM模塊具有模數轉換、信號隔離功能，每只CHARM模塊相當于傳統DCS的1個I/O通道。
◆控制器。電子布線系統的控制器與傳統DCS的控制器硬件相同。
③電子布線系統特點
◆簡化接線
電子布線系統接線時，現場儀表信號可單獨傳輸或者通過接線箱匯集后傳輸至CHARM機柜。采用電子布線系統。信號的邏輯運算等通過冗余的CIOC模塊完成，不同的CIOC模塊之間采用光纖通信，對I/O通道可以任意指定控制器，該系統節省了編組柜。減少了潛在故障點，簡化了機柜的接線工作。
◆可用性強
電子布線系統的高可用性主要體現在以下幾個方面：
a、冗余性，除了CHARM模塊以外，CHARM機柜內包括電源模塊、CIOC模塊以及CIOC模塊至控制器之間的通信總線等均為冗余配置。
b、硬件適應性，電子布線系統硬件對操作環境要求寬松。能夠適應絕大多數工況。
c、熱插拔，每只CHARM塊均支持手動熱插拔；插入CHARM模塊后，系統可自動定義I/O類型。
d、使用方便。任意信號可分配到任意控制器，每1對CIOC模塊所連接的CHARM模塊最多可以被分配到4臺控制器：CHARAM插槽有復位按鈕，方便更改CHARM模塊的類型。
◆配置靈活
每對冗余的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個儀表信號。CIOC機柜包含標準機柜、48點 CHARM機箱、96點CHARM機箱3種不同的規格，CHARM機柜可靈活選擇直流24V和交流220V電源供電。
◆降低成本
采用電子布線系統，既可以降低資金成本，也可以降低時間成本。電子布線系統取消了機柜間的盤間電纜，簡化了I/O通道的分配，減少了FAT測試工作。控制器和I/O通道的分離可以大幅提高機柜的設計效率，適應未來有可能出現的1/O通道變更。如果增加回路信號，或者調整控制器等均不需要調整原來的接線。此外在項目設計階段系統設計、I/O通道分配工作可以和機柜設計同時進行，減少了設計時間。
2、電子布線系統的應用
①項目介紹
某改造項目中的新建裝置中I/O點數較多，現場機柜間沒有足夠的空間放置機柜，外管廊也沒有足夠的空間和承載能力用于敷設電纜。采用電子布線系統可以節省現場機柜間面積、降低電纜消耗，并可避免頻繁修改對接線設計的影響。
②網絡架構
該裝置采用艾默生公司的電子布線系統，與傳統的DCS、無線儀表系統等均為Delta V系統的一部分，均可以直接連接到Delta V系統的主網和副網上。該裝置與其他采用艾默生DCS的已建裝置共用數據庫，實現統一管理。
◆DCS與SIS可以連接在同1個Delta V系統網絡中，數據交互采用數據調用的方式完成。
◆DCS的CIOC模塊和控制器通過交換機進行數據通信，若控制器與CIOC模塊之間的通信路徑切斷，不影響系統控制層面的運行。
◆DCS的控制器可以帶擴展卡，方便成套設備等與DCS之間的通信現場機柜間內布置的CHARM機柜，直接通過光纜連接到機柜間的交換機，接入Delta V系統控制網絡；布置在裝置現場的CHARM機柜，通過現場的光纖分配盤將附近CHARM機柜的光纜集中到一起，然后將主光纜敷設到機柜間，再連接至機柜間的交換機接入Delta V系統控制網絡。
③I/O配置
不同的信號類型通過不同的CHARM插槽配合不同的CHARM模塊來解決。不同的信號類型，有不同的解決方案，該裝置的I/O配置方案見表1所列。
該裝置采用接線箱匯集信號，接線設計按照以下原則執行：
◆本安信號和非本安信號，接入不同的接線箱，經不同類型的電纜將信號傳輸至CHARM機柜。本安信號和非本安信號不能混合接入同1塊底板內；同1對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類型的CHARM模塊，泵的軸承/轉子測溫信號接入獨立的內設卡件式溫度變送器的接線箱內，通過溫度變送器轉為4-20mA信號后接入CHARM機柜。
◆電磁閥信號獨立設置接線箱，不與其他信號共用；且220V電磁閥信號不能與24V電磁閥信號共用接線箱。
◆其余模擬量信號和包含閥位反饋的開關量信號可共用同1只接線箱。
◆不設現場配電箱，由電源柜直接給電磁流量計、質量流量計、音又開關等供電。
⑤電子布線系統實施方案
該電子布線系統的具體實施方案如下，
◆現場儀表信號經接線箱匯總后，接入現場CHARM機柜。
◆泵的運行/故障等電氣信號接入現場機柜間的CHARM機柜，系統的控制器布置在現場機柜間內。
◆布置在現場的CHARM機柜，為了防止柜內溫度偏離硬件設備的工作溫度（－40~70℃)，保證CHARM模塊的防爆認證等滿足規范要求，增強機柜的防護性能，設置了防護小屋。CHARM機柜布置于小屋內，小屋內設置空調系統，以保證系統可靠運行。
◆按照接線設計原則。每10個儀表信號接入1只接線箱，采用多芯電纜，經CHARM機柜底部定制的單格蘭安裝板，將信號從接線箱送至CHARM機柜。
◆根據現場儀表的布置，該裝置設置了2個防護小屋，小屋布置在裝置的邊緣，遠離震動源。
◆在執行過程中，成套機組/設備的PLC接至位于現場機柜間內的控制器擴展卡上，同時每面CHARM機柜的前5個通道留作機柜監測，第一通道監測機柜內溫度。第二通道監測機柜內直流24V電源狀態，其他通道根據情況另行定義。
3、電子布線系統應用探索
電子布線系統是一種新型的控制系統，其應用尚處于探索階段，并沒有足夠的成熟案例可以參考，在應用時，與傳統DCS相比還需要特別注意其防爆、供電系統、接地系統的設計。下面昌暉儀表以艾默生以太網布線為例介紹電子布線系統的應用。
①防爆設計
CHARM機柜布置在現場，環境中存在的爆炸性危險氣體會侵入到機柜的內部，嚴重影響柜內設備的可靠運行，理論上電子布線系統的所有硬件設備均可在2區工作，但是220V電磁閥DO類型的CHARM模塊僅通過了無火花認證，未通過增安認證，且可參考的案例不多。為了滿足規范要求，該裝置采用補償式正壓防爆小屋，即當內部的保護氣體泄漏時，可根據泄漏量的大小，連續或間歇地補充保護氣體，從而保持小屋內部正壓，實現防爆功能。主要措施有以下幾點：
a、小屋底部進線，不得破壞外殼的正壓防爆性能。小屋底部的電纜進線孔根據小屋內CHARM機柜的布置、現場電纜的規格及數量設置，電纜通過增安型防爆格蘭引入小屋內。
b、小屋采用的材質為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行時所規定的最大正壓值的1.5倍，并能夠承受GB3836.1-2010《爆炸性環境第1部分，設備通用要求》規定的沖擊試驗。
d、小屋內設置正壓報警裝置，防止保護氣體供給系統出現故障導致的小屋內部正壓超壓。
②供電系統的設計
為了保證電子布線系統的可靠運行，最大限度地降低由電源異常造成的影響，裝置建設時需要設計一個安全、性能可靠的供電系統。電子布線系統的供電系統包括：控制器供電，CHARM機柜供電，電磁閥等有源DO信號供電，現場儀表供電。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供電，保證了供電可靠且能實現無擾動切換。雙UPS并聯供電方案如圖2所示。
圖2 雙UPS供電方案示意
電子布線系統雙電源的負載主要包括，控制器、服務器、現場CHARM機柜等，只要有1路UPS正常工作，則雙電源負載就可以正常運行。單電源負載主要包括：操作站、交換機、現場儀表等，每路UPS分別給半數的操作站/交換機供電，假如有1路UPS故障，另外1路也能保證半數操作站/交換機可以正常運行，以便有足夠的時間做出應急處置，說明如下：
◆CHARM機柜的供電。每個小屋內設置1面電源分配柜，電源分配柜由布置在現場機柜間內的雙路UPS提供電源；現場布置的CHARM機柜由電源分配柜提供2路冗余交流220V電源。每面CHARM機柜配置1對20A電源模塊給柜內CHARM模塊和光電轉換器等提供電源。
◆控制器的供電。控制器布置在現場機柜間內，為雙電源負戟，其電源來自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機柜給每塊可能配置DO類型CHARM模塊的底板供電，底板上有專用的電源接線端子，只要接通電源，則12塊底板上的任意通道只要插入相應的DO類型CHARM模塊就可以實現為電磁閥供電。
◆現場四線制儀表的供電。該裝置所使用的四線制儀表有交流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分散，且處于非防爆區，可通過在CHARM機柜內CHARM模塊給儀表供電，如果采用這種供電方式，則相應CHARM機柜需要另外增加單獨的電源模塊。
③接地系統的設計
現場CHARM機柜通過工作接地板和保護接地板接地，為了保證電子布線系統的穩定運行，該裝置的接地系統，要符合HG/T20513-2014《儀表系統接地設計規范》以及系統生產廠家的接地要求。
現場信號的屏蔽線接至工作接地板。由于工作接地要求絕緣，因而其與保護接地匯總前應相互進行隔離。該裝置框架內每個布置CHARM機柜的樓層均設置若干獨立的工作接地板，此外，在該裝置框架內還設置了若干保護接地板，各工作接地板之間和各保護接地板之間不串聯，直接接至儀表總接地板。儀表總接地板通過專用接地極與全廠等電位接地網連接。為了方便檢査接地電阻，該裝置設置儀表專用接地井1個，該接地井與全廠接地網絡連接。
根據系統配置，采用電子布線系統后，按照以下兩個方案執行：
a、機柜間儀表接地系統與主接地網接口方案。現場機柜間或CHARM機柜室的儀表總接地板與室外儀表專用接地極可靠連接，接地電阻要求小于1Ω。儀表專用接地極通過儀表接地井與電氣主接地干線連接。室內儀表總接地板與室外儀表專用接地極連接時，不允許與建筑防雷引下線直接連接。儀表總接地板的數量、位置以接地極的接地電阻按照HG/T20513-2014執行，機柜間儀表接地系統與主接地網接口方案如圖3所示。
圖3 機柜間儀表接地系統與主接地網接口方案示意
b、現場裝置接地系統與主接地網接口方案。
布置在現場裝置區的儀表總接地板或者采用帶鎖的儀表接地箱，與室外儀表專用接地極應可靠連接，接地電阻小于3Ω，儀表專用接地極通過接地扁鋼與電氣主接地干線連接。儀表總接地板與儀表專用接地極連接時，要求連接線與大地絕緣，現場裝置儀表接地系統與主接地網接口方案如圖4所示。
圖4 現場裝置儀表接地系統與主接地網接口方案示意
c、如成套機組CCS等其他系統的保護接地接入電氣接地網，有特殊要求時可單獨設置接地極，但不允許在建筑內或裝置內與儀表接地系統連接。同時，計算機或DCS信號電纜的屏蔽層不得浮空，必須接至工作地接地板。
電子布線技術對傳統布線方式做了重大改進，根據裝置的具體情況，可與現場總線、無線、HART等技術形成互補，發揮各自的優勢，以電子布線技術為基礎的電子布線系統對于后期變更多，增加I/O比較多的場合，有著廣泛的應用優勢。
作者：解娜
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