干货|各类自动化控制系统布线解决方案原理和特点

2020/7/12 1:26:50 人评论 次浏览 分类:调试维修  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/3218.html

在控制系统布线的一对一连接传统方式里,已逐步加入了预制电缆的快速布线系统、电子布线系统、无线通信系统等新的布线解决方案,昌晖仪表介绍各类控制系统布线解决方案的原理和特点。

控制系统布线解决方案是自控专业设计师需要重点考虑的问题,也是他们感到烦恼的揪心事。在自控专业的设计图纸中,涉及到接线、布线的图纸工作量大约要占到百分之五十。我们常常说,这一部分的工作最没有技术含量,但又最容易出错。说它没有技术含量,是因为一根线接到这个端子上就是对的,比如变送器输出的正端接到I/O卡的正端可能就对了,接到I/O卡的负端就错了。说它容易出错,是成百上千的端子要接线,接错一个两个可能性是有的,但接错了如果到试车过程还没有发现,小的影响是信号无法显示,如果是电源线接错了,则有可能造成板卡烧毁等较大的影响。


1、传统布线工程

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。在工程设计中,一个自动化程度稍高的车间,自控专业设计所用电缆的长度超过100km是很常见的,图1为某现场多达九层的电缆桥架。
现场电缆桥架
图1 现场电缆桥架


图2所示为控制系统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配线柜的端子排,然后以单芯导线转接到控制系统的I/O模件上。

控制系统传统布线方式示意图
图2 控制系统传统布线方式示意图


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(见图3)。

传统控制系统布线方式
图3 传统控制系统布线方式


在自控工程设计时,我们需绘制每一个现场接线箱、每一个配线柜、每一个I/O模件的端子接线图。麻烦的不仅仅是设计师,还有盘柜箱生产线上的接线员、建筑安装单位的施工人员,他们是要一根一根接线的(见图3)。当然,工厂的管理维护人员也不会轻松,一个监测点故障的
查线往往需要从源头的检测仪表一直查到控制系统的I/O模件。

传统布线方式是一对一接线贯穿始终,导线、电缆、桥架需要量大,换接点多,故障隐患点多,维护工作量大。自控设计师常常想:有没有什么办法能让布线方式简单一些,能让故障环节少一点?能让我们图纸工作量少一些?能让我们从这些没有任何技术含量的繁琐工作中解脱出来?


2、菲尼克斯快速布线

为了简化布线工作,最方便入手的是从控制室配线柜的端子排到控制系统的I/O模件这一段,人们在想,怎样将出配线柜端子排的多芯电缆能方便地连接到I/O模件上,于是一种带前适配器预制电缆的布线方式就出现了(见图4)。预制电缆也是多芯的,但它带编号,只要按编号顺序在配线柜端子排连接来自现场设备的信号线,另一端的前适配器直接插入控制系统I/O模件的对应输入插座上即可,取代了传统的螺钉接线或压接方式接线。
用带前适配器的预制电缆代替多芯电缆的布线方式
图4 用带前适配器的预制电缆代替多芯电缆的布线方式


菲尼克斯电气公司的INTERFACE快速布线系统采用了
带前适配器预制电缆的布线方式,来自现场设备的信号线接入布线模块输入侧,而布线模块的孔式接头是输出侧,通过带前适配器预制电缆的针式插头连接,再通过前适配器接入控制系统的I/O模件。菲尼克斯电气公司曾为众多DCS、PLC厂家及直接用户提供快速布线系统(见图5),采用这一系统的DCS、PLC厂家和产品有: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等。
INTERFACE快速布线系统
图5 INTERFACE快速布线系统


3、爱默生以太网布线

一般来说,快速布线系统简化的是控制室内配线柜与控制系统I/O模件之间的接线工作,布线的数量并未减少。而实际布线的大量工作是从现场接线箱到控制室之间的连线,其单根长度通常都是数百米,在这方面有简化的办法吗?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系统S系列产品,这一技术对传统布线方式作了重大改进。它将控制室内配线柜与控制系统I/O模件之间的一对一接线改为通过以太网通信(见图6)。
配线柜与控制系统I/O模件之间采用以太网通信
图6 配线柜与控制系统I/O模件之间采用以太网通信


图7为电子布线技术机柜布置示意图,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[2]。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数字总线技术,所以我们看不到杂乱无章的交叉布线,也看不到类似菲尼克斯电气INTERFACE快速布线系统的带前适配器预制电缆。
电子布线技术示意图
图7 电子布线技术示意图


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模件为单位选择I/O类型。I/O模件上的点数通常为8、16、32甚至64点,所以实际使用中的I/O模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。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。像机柜设计、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、桥架配置等图纸设计工作量可完全省去或大部分省去,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。据爱默生过程管理公司对一个5500个I/O点的工程项目自控工程费用详细计算,得到的结论是电子布线费用为609.2万美元要比传统布线费用668.7万美元节省59.5万美元,占总费用的8.9%。

③可靠性
从CHARM到DeltaV S系列控制器的所有通信都是完全冗余的,冗余CHARM I/O卡底板具有冗余通信模块,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信底板,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系列控制器通信,而不像传统的I/O只与1台控制器通信,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。


④更适应工程项目的变更
电子布线技术让工程项目的变更影响减少,大多数情况用户只需敷设到新增现场设备的布线,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,从CHARM I/O卡以后更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。


4、爱默生无线“布线”

一对一接线改为通过以太网通信,布线量减少了很多,但还是少不了以太网线。布线工作还能怎样更简化呢?流程行业无线通信技术用无线传输回答了这个问题(见图8)。
配线柜与控制系统I/O模件之间采用无线通信
图8 配线柜与控制系统I/O模件之间采用无线通信


爱默生过程管理公司提供的WirelessHART无线解决方案中,有一种架构是DeltaV S系列无线I/O卡和781远程链路构成网关的无线通信系统,无线I/O卡本身就是DeltaV S系列控制器的一个I/O节点,可直接挂在控制网络上,无线I/O卡与781远程链路有线连接,781远程链路则和无线仪表以
无线方式通信(见图9)。
WirelessHART无线通信系统
图9 WirelessHART无线通信系统


除了必不可少的布线(如图1中无线I/O卡与781远程链路的连线)外,原来的布线传送信息全部由无线传输取代,所以导线、电缆、桥架大量节省。对自控设计师来说,涉及到接线、布线的图纸,如现场接线箱接线图、配线柜端子接线图、管线图、管线敷设图……基本都不用画了,可以看到这会给我们省多少事,然而更重要的是整个工程项目的投资也会大幅度节省,据部分工程项目统计,采用无线通信系统后,对应部分的投资将节省3-10%。


控制系统布线解决方案不是一个无关大局的小问题,它牵涉到自控专业设计、订货、设备制造、安装、使用等方方面面,也涉及工程项目投资、进度及建成后维护工作的便利性,因此,需要各方面人士对此关注和重视。
作者:方原柏

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