【方原柏专栏】电子布线技术工程设计探讨

1 概述

爱默生过程管理（Emerson Process Management）公司2010年在DeltaV 过程自动化系统DCS V11版本的系统中推出采用了电子布线技术S系列产品，在V11版本中，电子布线与传统布线、现场总线、无线HART等可以共存于同一个系统中（见图1）。新推出的电子布线主要是用在那些采用传统布线方式的场合，他对传统布线方式作了重大改进，根据生产现场不同的情况及客户的喜好，他与现场总线、无线HART等技术形成互补，以发挥各自的优势[1]。

图1 DeltaVTM V11版本的多种布线方式

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，为用户提供了优化的系统性能，简化了设计和安装工作。

2 电子布线简介

2.1 传统布线回顾

在传统的布线方式里，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，端子接线柜里同时装有控制系统的I/O模件的配线组件，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、热电阻输入、热电偶输入、开关量输入等等，这样端子排到I/O模件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（见图2）。

图2 传统布线

2.2 电子布线的核心组件

电子布线的核心是2个新的组件：CHARM和CHARM I/O卡（见图3）。

图3 电子布线的核心组件

CHARM（CHARacterization Module，特性模块）可看作是一个单通道I/O。

CHARM I/O卡是2块冗余配置，可看作是一个I/O节点，每一对CHARM I/O卡往下可挂接多块安装在DIN导轨上的底板，每块底板上可以插入12个CHARM。之所以一块底板上选用CHARM的安装个数为12，主要是为了与现场使用较多的12、24、36芯电缆配合[2]。

底板上为每个CHARM固定设置了有4个接线端子的端子块，端子块上面覆盖了标签，可标出通道号及仪表位号，端子块上还带可插标准表表笔的测试点。底板上在每个CHARM插入位置上有个可以设定的“锁”位置，对应不同I/O信号，“锁”的位置不同，比如是AI类型的 CHARM，“锁”位置一旦设定，当AI CHARM发生故障后拔出来时，可插入同样的AI CHARM，而其他类型的I/O CHARM因“锁”位置不合，无法插入，由此保证了更换模块的正确性。但当该模块确实需要更改I/O类型时，应首先重新设定“锁”的位置，然后才能插入新I/O类型的模块。当CHARM从底板上取下来时，只是CHARM断开了与端子块的连接，而端子块接线端子上引到现场设备的接线并未断开。

CHARM有输入端配线，但不需要输出端配线，因为多个CHARM是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卡上，因此传统布线中见到的大量交叉布线消失了。

3电子布线特点

与传统布线方式相比，电子布线具有以下特点：

3.1 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，线路转接次数很多，而每次转接都必须出相应设计图纸。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，线路转接次数少。所以部分设计图纸可取消，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%。

3.2 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卡件上的通道数通常为8、16、32甚至64点，所以实际使用中I/O卡件往往有一定通道数量闲置，现在按需配置I/O则可以用多少配置多少。万一CHARM损坏，也只影响一个通道的信息，不像多点卡件影响整个卡件的工作；更换时也只更换一个CHARM，而不是更换整个卡件。因此可以说电子布线是在单通道级别实现信号回路的独立性和使用的灵活性。

3.3 可靠

除CHARM没有冗余外，从CHARM到DeltaV S系列控制器的所有环节都是冗余的：

CHARM I/O卡是冗余的

与I/O网络相联的以太网通讯模块是冗余的

向CHARM I/O卡供电的24VDC 电源是冗余的

冗余总线连接CHARM I/O卡每一个通道的电源分配器是冗余的

CHARM的信号连接到冗余总线的通讯收发器是冗余的

CHARM的信号连接到冗余总线的24VDC回路电源是冗余的

CHARM没有冗余是由于CHARM的任何故障都限制在这一个回路，只影响这一个通道。

CHARM工作时内部连续进行诊断，以确认CHARM在电源、通讯总线两方面的可用性，否则发出预测硬件报警，当需要在线更换时可以“热插拔”方式不需任何工具快速更换，只需拔除故障CHARM并插入新的CHARM，无需拆除端子块上的现场接线，所以平均修复时间很短，且修复时不影响其他CHARM的工作[3]。

3.4 灵活

无需考虑各种类型多点I/O卡件如何选择，单通道的CHARM及底板上12点CHARM类型可任意选择，这使电子布线具有最大的灵活性。

可根据现场I/O点数量、集中分散程度、防爆要求选择机柜式电子布线、现场接线箱式电子布线两种方式。

在DeltaV V11版本系统的S系列产品中，电子布线可以与现场总线、无线HART、传统布线共存，因此可根据需要选择更合理、更经济的布线方式。

3.5 节省投资

电子布线可以减少控制器、机柜的数量及接线的工作量，以机柜为例，在传统布线方式的机柜里，单面机柜通常能容纳160点I/O的布线，而同尺寸的电子布线单面机柜可容纳3×96=288点I/O的布线，大约增加了80%的I/O的布线量。而且机柜里的CHARM I/O相当于多块I/O卡件，也为控制器和I/O机柜腾出了空间[4]。

对一个典型项目的配置计算表明：相对于传统布线方式，电子布线可减少32%的DeltaV控制器、40%的机柜、90%的内部配线。对另一个使用了2500个网段组成的系统配置计算表明：相对于现场总线方式，电子布线可减少7%的项目总费用[5]。

按规范要求，DCS工程设计要求I/O卡件10%~15%的备用量，机柜卡件安装空间10%的备用量。由于卡件是多点的，实际备用量往往超出以上数据。现在按需配置I/O，需备用的CHARM数量及机柜空间均可大大减少。

维护费用也是一笔很大的支出，电子布线架构简单、接线量非常少，用户查线不必面对布线密如蛛网的机柜，维护难度和费用减少很多。

3.6 更适应工程项目的变更

在工程项目中，现场布线I/O设计应该在现场开始布线之前完成，但实际情况常常不是这样，由于设计的不确定性，I/O点的数量和类型会发生或多或少的变化，迫使增加新的I/O卡件和更改原有布线，甚至还要求提供新的机柜来容纳新增的I/O卡件。某些现场施工结束时，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（见图4）[2]。

图4 现场布线I/O设计对项目进度的影响

而采用电子布线技术的DeltaV V11 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敷设从机柜（现场接线箱）到新增现场设备的管线，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，而从CHARM I/O卡以后一般不需要增加或改动布线。因此，采用电子布线技术对现场涉及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[6]。

4 电子布线设计要点

从设计人员的角度来看，电子布线设计要点如下：

4.1 应用场合

根据生产现场不同的情况和客户的偏好，每种布线技术都有其理想的应用领域。使用现场总线，新建装置将具有最低的生命周期成本；无线技术则用在有线技术过于昂贵或者不可行、没有电源供电、改造项目需快速实施等场合；电子布线技术将减少空间需求、减少布线工作量，可向HART仪表提供改进的诊断功能并使系统拥有更大的灵活性。由于DeltaV V11版本中，电子布线与传统布线、现场总线、无线HART等可以共存于同一个系统中，因此，电子布线与现场总线技术、无线技术将会形成互补。

4.2 核心部件的功能

我们可以将CHARM I/O卡和与之相连的所有CHARM看成是一块具有单通道完整性和单通道隔离的最多96通道I/O卡件。通过带光纤或铜介质的通讯模块，以100M冗余以太网方式与DeltaV控制网络相联。光纤通讯模块可直接连接到交换机；铜介质的通讯模块以串口方式连接多个CHARM I/O卡后，与交换机的一个口相连。CHARM I/O卡往下通过底板与CHARM连接。

CHARM的基本功能有：

信号调制

模/数转换

现场仪表供电

对线路故障的隔离保护

作为隔离现场布线的断开装置

提供最新的HART V7模式，支持更多的灵活性和更丰富的诊断功能[3]

上述功能中，“对线路故障的隔离保护”指的是任何与现场回路有关的问题，如如短路、接地故障等都被隔离并限制在这一个回路，绝不会影响其它回路；“作为隔离现场布线的断开装置”指的是当从底板上拔除CHARM时，无需拆除端子块上的现场接线，即可断开现场布线。

4.3 系统的规模

往上最多16对冗余配置的CHARM I/O卡可以与DeltaV S系列控制器相连，每一对CHARM I/O卡往下可挂接8块安装在DIN导轨上的底板，每块底板上可以插入12个CHARM，即总共96点I/O。这样一台DeltaV S系列控制器可以连接16×96=1536个CHARM，即1536个任意信号类型组合的I/O。

4.4 CHARM 的I/O类型

CHARM 的I/O类型有：

AI 4~20mA HART

AO 4~20mA HART

DI NAMUR（德国标准，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

AI/AO CHARM的每一个通道中都有一个HART调制解调器，相对于多通道I/O卡件共享一个HART调制解调器而言，电子布线的HART通讯速度更快。同时电子布线支持最新的HART V7标准，使之具有更多的灵活性和更丰富的诊断功能[7]。

4.5 电子布线方式

电子布线通常有两种方式：机柜式电子布线、现场接线箱式电子布线

4.5.1 机柜式电子布线

当靠近DeltaV 系统进行布线时，通常在中心控制室的机柜室里采用机柜式电子布线。

图5为机柜电子布线示意图，标准机柜尺寸为800mm×2000mm（宽×高），型号SE7001为前开门机柜，深度为600mm，型号SE7002为前后开门机柜，深度为800mm。机柜内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，往下是插入12个CHARM的8块底板，即一个SE7001前开门机柜可容纳3×96=288点I/O的布线，一个SE7002前后开门机柜可容纳6×96=576点I/O的布线[8]。

图5 机柜电子布线

4.5.2现场接线箱式电子布线

当靠近现场设备进行布线时，通常在生产现场就地安装专用于电子布线的现场接线箱。

图6为现场接线箱式电子布线示意图，标准现场接线箱尺寸为800mm×1000mm×300mm（宽×高×深），其上部配置冗余的CHARM I/O卡，往下是插入12个CHARM的4块底板，即每一对CHARM I/O卡总共可接入48个I/O信号。SE系列现场接线箱根据所提供的为交流电源或直流电源、不锈钢板或粉末涂层钢板材质、安全区域使用、欧洲或北美爆炸危险区域使用又分为7003~7011多个子型号[10]。笔者在产品照片中也见到安装有6块底板的现场接线箱，即总共可接入72个I/O信号，可能这属于特殊订货[9]。

图6 现场接线箱电子布线

4.6 CHARM I/O与DeltaV的控制器的连接

以往一个传统的I/O卡件只能连接到一台DeltaV的控制器，而一对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，这样组态时控制器可在更大的范围内选择某个或多个I/O点[7]。

笔者曾了解一个工程控制要求的实施案例，上海临港燃气电厂有4套350MW燃气机组，生产现场参数检测采用有线变送器，所测量的过程信息传送到西门子DCS。4套机配有4套DCS，2套DCS公用一个控制室，各套DCS之间完全隔离，但又要求控制系统发生故障时，要保障其他机组的DCS操作站可以监视故障机组最重要的25个参数。

按此要求实施时采用了无线方案，即4套机组每套配一台OneWireless多功能节点作为其网关，上述最重要的25个参数采用无线变送器将数据传送到多功能节点，再通过Modbus RTU协议以RS485方式有线接入DCS控制系统。这4台多功能节点构成无线主干网络，每套锅炉机组的无线数据通过自己的多功能节点可集中汇入统一的无线数据库，从而每套DCS不但可以通过自己的多功能节点获得本机组的无线数据，同时还可以获得其它3个机组的无线数据。

如果控制系统采用的是DeltaV S系列控制器，这一要求应该也可以采用电子配线的方式解决，上述最重要的25个参数可利用原有的普通有线变送器，将信号接入位于每套机组的现场接线箱，而每一个现场接线箱中的CHARM I/O卡通过以太网可以与4套机组中DeltaV系统的各一个控制器通讯，从而实现要求的功能且无需增加无线变送器。

4.7 防爆区域应用

当采用现场接线箱式电子布线时，可按欧洲或北美爆炸危险区域分类要求选择相应型号的现场接线箱，如SE7004、SE7007可用于ATEX（欧盟销售和使用的防爆电器强制遵循的标准）、IECEx （国际电工学会针对防爆电器类产品提出的技术标准）Zone2场合，SE7009、SE7011可用于北美Class 1 Division 2场合。

4.8 设计图纸工作量

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，对应每一个步骤的设计工作见图7。

图7 传统布线方式涉及的工作

而为了在工程中实施传统的布线方式，相应的设计内容大体就有以下14项：

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、现场接线箱（或机柜）电子布线端子排设计等8项，而其余部分设计均不必再作，相应的安装工作量也可简化 [10]。

5 结束语

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，所以在布线方面人们也在不断摸索、不断改进，电子布线技术的问世确实让我们眼前一亮，其取代传统布线方式、远程I/O布线方式的优势明显，而在某些场合，与现场总线相比也具有冗余度高、投资省等优点。

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”。