【方原柏专栏】从布线技术看RTU的发展
1 概述
自控制系统（PLC、DCS等等）问世以来，虽然人们的主要精力集中在控制系统的类型、功能、软件、应用这几个方面，但是由于从现场检测设备到控制室控制系统之间的一对一的布线工作量实在是太大了，电缆、桥架以及敷设人工费用往往超出控制系统的费用，图1展示的就是一个令人震惊的现场照片。所以在布线方面人们也在不断摸索、不断改进，先后产生了RTU、现场总线、电子布线、无线等几种涉及布线类型的产品，目的不外乎是减少甚至不用布线。
图1 控制室乱如蛛网的布线
2 几种布线方式
2.1 传统布线方式
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。作者在上世纪九十年代参与312m2大型烧结机的工程设计，采用了霍尼韦尔公司TDC-3000 DCS系统，I/O总点数约2000多点，系统共使用了总长度108km的各种电缆，其中还包括数量较多的36芯、24芯电缆。电缆进控制室的桥架为断面200mm×600mm的4层，由此可见布线工作量之大。
图2所示为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的端子接线柜，部分端子接线柜里装有控制系统的I/O模件的配线组件（如霍尼韦尔公司TDC-3000系统中的FTA现场端子板），他将经过端子排的现场信号线汇总，以厂家提供的带插头的多芯专用电缆连接到机柜的I/O模件上。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。
图2 传统布线方式
2.2 RTU方式
在上世纪八十年代中期，国外一些非主流控制系统的厂家研制出数据采集系统，如英国施伦伯杰（Schlumberger）公司1986年在中国市场上推出的IMP数据采集器，每个数据采集器可采集10~20个信号（其分类有电流输入、电压输入、铂电阻输入、开关量输入等等），多块IMP数据采集器以并联方式通过一根总长可达1500m的双芯双绞S-网络屏蔽电缆将所有现场设备的信号传送到控制室。
稍后，PLC、DCS都先后推出了远程I/O，如横河公司CENTUM-CS控制系统可以通过AIP221外部I/O接口主单元连接远程I/O，霍尼韦尔公司TDC-3000系统中的PM过程管理站可以通过I/O链接口处理器与远程I/O连接，西门子公司的ET200远程I/O可以通过Profibus-DP总线与S7300CPU通讯。
远程I/O方式的接线方式远比传统布线方式简单，通常远程I/O本体就相当于现场接线箱，输入信号一对一接线两者大体一致，但其输出不是多芯电缆，而是芯数非常少的专用电缆。
简单的讲远程I/O就是具有通信功能的数据采集/传送模块，但通信方式很多，各个厂家都有自己标准，所以远程I/O通常不能跨系统使用，由此就发展了采用通用通信标准的现场总线方式。
2.3 现场总线方式
现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代中后期国际上发展形成的技术，他是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是将单个分散的数字化、智能化的现场设备作为网络节点，用总线与控制系统连接，实现信息交换及控制功能的网络和系统。相对于远程I/O来说，由于通信方式采用了符合国际标准的现场总线，所以他是一个开放的系统结构。
现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电和通信，图3是现场总线系统示意图。
图3 现场总线系统示意图
现场总线系统的布线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。
多台现场设备可以借用一根现场总线传送信号，布线已经是相当简单。但每一条现场总线世纪连接的现场设备并不太多，以FF现场总线为例，虽然每条H1网段最多可接32台现场设备，但受H1干线的支线数、电缆电阻、总线供电电源电压、现场设备的最大消耗电流、现场设备的最小工作电压、执行时间等因素的影响，通常每个网段只能挂接9~12台现场设备，工程设计时则只挂接6~8台现场设备。所以实际节省电缆也不像想象中的那么多。而有一些简单仪表如热电偶、热电阻、接近开关、电磁阀、指示灯等，可通过多变量FF现场仪表挂接到H1网段上。比如，多变量的FF温变可将8个热电偶或热电阻合为一台FF现场仪表；多变量的DI/DO模盒可将8个接近开关和4台电磁阀合为一台FF现场仪表。因此，现场总线的使用可以节省一些电缆，但仍然存在一部分布线。
2.4 电子布线方式
菲尼克斯电气INTERFACE-快速布线系统，为众多DCS、PLC厂家及直接用户提供电气连接技术，其快速布线系统提供的DCS、PLC厂家有：
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
图4 INTERFACE-快速布线系统
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技术S系列产品，这一技术主要是用在那些采用传统布线方式的场合，并对传统布线方式作了重大改进。
电子布线综合应用了现场总线技术、远程I/O技术及I/O on Demand（按需配置I/O）技术，为用户显著简化了设计和安装工作。
图5为电子布线技术示意图，图中所示机柜尺寸为800mm×800mm（宽×高），深度为600mm的机柜仅为前开门，深度为800mm的机柜为前后开门。每一面竖向布置三排，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。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现场总线技术，所以我们看不到类似图2中的杂乱无章的交叉布线。
图5 电子布线技术示意图
CHARM的I/O类型有：AI 4~20mA HART、AO 4~20mA HART、DI NAMUR（用于接近开关等）、DI 24VDC干接点、DO 100mA能量限制、热电偶/mV、热电阻、AI 0~10V 隔离、DO 24VDC High Side、DI 24VDC隔离、DO 24VDC隔离、DI 120VAC隔离、DI 230VAC隔离、DO 120/230VAC隔离。
电子布线特点
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卡件为单位选择，而I/O卡件上的点数通常为8、16、32甚至64点，所以实际使用中的I/O卡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，对应每一个步骤地设计工作见图6。而为了在工程中实施传统的布线方式，相应的设计内容就有：确定I/O表、确定控制器规模、电源设计、接地设计、P&ID图、过程说明、安装图、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。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，所以上述工作量仅留下确定I/O表、确定控制器规模、电源设计、接地设计、P&ID图、过程说明、安装图，而其余部分设计均不必再作。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。
图6 传统布线方式
3 可靠性
从CHARM到DeltaV S系列控制器的所有通讯都是完全冗余的，冗余CHARM I/O卡底板具有冗余通讯模块，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讯底板，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系列控制器通讯，而不像传统的I/O只与1台控制器通讯，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。而每个CHARM的I/O类型是可以根据需要任意选定的。
5 更适应工程项目的变更
由于工程项目在建设期间会产生或多或少的设计修改，控制系统也往往会有不少变动，现场施工结束时，设计人员常常会发出几十张甚至数百张设计修改通知单，I/O数量变化、I/O类型变化将造成传统的布线方式中端子接线、机柜配线、电缆数量等方面较大的改动工作量，增加了项目投资、延缓了项目投产时间。
而采用电子布线技术的DeltaV S系列硬件让工程项目的变更影响减少，大多数情况用户只需铺设到新增现场设备的线路，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。
2.5无线方式
2.5.1 典型的流程行业无线网络架构
以OneWireless无线系统为例，无线主干网络的设备构成可能有很多方案，其中最常见的是由无线现场设备（如无线变送器）、无线网关（如多功能节点）、无线管理平台组成的系统（见图7）。WirelessHART系统通常由以下设备构成：无线现场设备、智能无线网关。
图7 OneWireless系统构成示意图
图8 WirelessHART无线系统构成示意图
2.5.2 扩展的流程行业无线网络架构
为了适应远程长距离传送信息和集合无线视频、移动工作站、位置跟踪、人员安全集结、控制网络桥接的要求，生产无线网络设备的主流厂家与通信参加结合，推出了新型无线网络系统。比如Honeywell公司是OneWireless系统的主推厂家，他采用了Cisco 1552s轻巧型接入点）及Cisco无线LAN控制器（WLC）组成。爱默生过程管理是WirelessHART系统的主推厂家，他采用了Cisco 1520接入点及Cisco无线LAN控制器（WLC）组成。
图9 扩展的OneWireless流程行业无线网络架构
图10 扩展的WirelessHARE流程行业无线网络架构
作者简介
方原柏：湖北黄冈人，昆明仪器仪表学会理事长，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，冶金自动化、衡器、自动化信息、仪器仪表用户、自动化与仪器仪表等杂志编委、中国衡器协会技术专家委员会顾问。发表论文270余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年）、“电子皮带秤”（2007年）、"流程行业无线通信技术及应用"（2015年）三本专著，参与主编国家标准“有色金属冶炼厂自控设计规范”。
