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                   方原柏   昆明有色冶金設(shè)計研究院教授級高工

   1　概述

   自控制系統(tǒng)（PLC、DCS等等）問世以來，雖然人們的主要精力集中在控制系統(tǒng)的類型、功能、軟件、應(yīng)用這幾個方面，但是由于從現(xiàn)場檢測設(shè)備到控制室控制系統(tǒng)之間的一對一的布線工作量實在是太大了，電纜、橋架以及敷設(shè)人工費用往往超出控制系統(tǒng)的費用，圖1展示的就是一個令人震驚的現(xiàn)場照片。所以在布線方面人們也在不斷摸索、不斷改進(jìn)，先后產(chǎn)生了RTU、現(xiàn)場總線、電子布線、無線等幾種涉及布線類型的產(chǎn)品，目的不外乎是減少甚至不用布線。
 
                      
                              圖1 控制室亂如蛛網(wǎng)的布線圖    

   2　幾種布線方式

   2.1　傳統(tǒng)布線方式

   早期的控制系統(tǒng)（如PLC、DCS）是將與過程相聯(lián)的I/O模件集中在控制室的機(jī)柜里，通過并行總線由一臺主計算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制和管理，大量的信號需要通過電纜從現(xiàn)場引到控制室的I/O模件上。作者在上世紀(jì)九十年代參與312m2大型燒結(jié)機(jī)的工程設(shè)計，采用了霍尼韋爾公司TDC-3000 DCS系統(tǒng)，I/O總點數(shù)約2000多點，系統(tǒng)共使用了總長度108km的各種電纜，其中還包括數(shù)量較多的36芯、24芯電纜。電纜進(jìn)控制室的橋架為斷面200mm×600mm的4層，由此可見布線工作量之大。
  
                         
               
                                   圖2 傳統(tǒng)布線方式 

   圖2所示為傳統(tǒng)布線方式的示意圖，現(xiàn)場設(shè)備（包括變送器、調(diào)節(jié)閥等）的信號通過現(xiàn)場接線箱匯總，以多芯電纜的方式送到控制室的端子接線柜，部分端子接線柜里裝有控制系統(tǒng)的I/O模件的配線組件（如霍尼韋爾公司TDC-3000系統(tǒng)中的FTA現(xiàn)場端子板），他將經(jīng)過端子排的現(xiàn)場信號線匯總，以廠家提供的帶插頭的多芯專用電纜連接到機(jī)柜的I/O模件上。由于端子排的接線順序通常是按照多芯電纜的編號次序排列，同一根電纜中匯集的是位置靠在一起的各類現(xiàn)場設(shè)備，如變送器、分析儀表、調(diào)節(jié)閥、開關(guān)量等不同種類的信號，而I/O模件的配線組件是一個信號類別一個組件，如4~20mA輸入、4~20mA輸出、開關(guān)量輸入等等，這樣端子排到I/O模件的配線組件之間的布線相互交叉，看起來雜亂無章，令安裝后的查線及日常維護(hù)都頗為煩瑣。
 
                             
                                 圖3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)示意圖

   2.2　RTU方式

   在上世紀(jì)八十年代中期，國外一些非主流控制系統(tǒng)的廠家研制出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如英國施倫伯杰（Schlumberger）公司1986年在中國市場上推出的IMP數(shù)據(jù)采集器，每個數(shù)據(jù)采集器可采集10~20個信號（其分類有電流輸入、電壓輸入、鉑電阻輸入、開關(guān)量輸入等等），多塊IMP數(shù)據(jù)采集器以并聯(lián)方式通過一根總長可達(dá)1500m的雙芯雙絞S-網(wǎng)絡(luò)屏蔽電纜將所有現(xiàn)場設(shè)備的信號傳送到控制室。
  
                              
                           圖4 采用單根導(dǎo)線的控制柜布線示意圖

   稍后，PLC、DCS都先后推出了遠(yuǎn)程I /O， 如橫河公司CENTUM-CS控制系統(tǒng)可以通過AIP221外部I/O接口主單元連接遠(yuǎn)程I/O，霍尼韋爾公司TDC-3000系統(tǒng)中的PM過程管理站可以通過I/O鏈接口處理器與遠(yuǎn)程I/O連接，西門子公司的ET200遠(yuǎn)程I/O可以通過Profibus-DP總線與S7300CPU通訊。
  
                     
                     圖5 INTERFACE-快速布線系統(tǒng)

   遠(yuǎn)程I/O方式的接線方式遠(yuǎn)比傳統(tǒng)布線方式簡單，通常遠(yuǎn)程I/O本體就相當(dāng)于現(xiàn)場接線箱，輸入信號一對一接線兩者大體一致，但其輸出不是多芯電纜，而是芯數(shù)非常少的專用電纜。
 
                  
                                 圖6 電子布線技術(shù)示意圖

   簡單的講遠(yuǎn)程I/O就是具有通信功能的數(shù)據(jù)采集/傳送模塊，但通信方式很多，各個廠家都有自己標(biāo)準(zhǔn)，所以遠(yuǎn)程I/O通常不能跨系統(tǒng)使用，由此就發(fā)展了采用通用通信標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線方式。

   2.3　現(xiàn)場總線方式

   現(xiàn)場總線（Fieldbus）是20世紀(jì)80年代中后期發(fā)展的新技術(shù)，他是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，是將單個分散的數(shù)字化、智能化的現(xiàn)場設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線與控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)信息交換及控制功能的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。相對于遠(yuǎn)程I/O來說，由于通信方式采用了符合國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，所以他是一個開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
                  
        
   現(xiàn)場總線支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電和通信，圖3是現(xiàn)場總線系統(tǒng)示意圖。

   現(xiàn)場總線系統(tǒng)的布線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上可掛接多個設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，往往無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。

   多臺現(xiàn)場設(shè)備可以借用一根現(xiàn)場總線傳送信號，布線已經(jīng)是相當(dāng)簡單。但每一條現(xiàn)場總線實際連接的現(xiàn)場設(shè)備并不太多，以FF現(xiàn)場總線為例，雖然每條H1網(wǎng)段最多可接32臺現(xiàn)場設(shè)備，但受H1干線的支線數(shù)、電纜電阻、總線供電電源電壓、現(xiàn)場設(shè)備的最大消耗電流、現(xiàn)場設(shè)備的最小工作電壓、執(zhí)行時間等因素的影響，通常每個網(wǎng)段只能掛接9~12臺現(xiàn)場設(shè)備，工程設(shè)計時則只掛接6~8臺現(xiàn)場設(shè)備。所以實際節(jié)省電纜也不像想象中的那么多。而有一些簡單儀表如熱電偶、熱電阻、接近開關(guān)、電磁閥、指示燈等，可通過多變量FF現(xiàn)場儀表掛接到H1網(wǎng)段上。比如，多變量的FF溫變可將8個熱電偶或熱電阻合為一臺FF現(xiàn)場儀表；多變量的DI/DO模盒可將8個接近開關(guān)和4臺電磁閥合為一臺FF現(xiàn)場儀表。因此，現(xiàn)場總線的使用可以節(jié)省一些電纜，但仍然存在一部分布線。

   2.4　電子布線方式

   傳統(tǒng)的控制柜布線示意見圖4，布線工作量大，出錯的幾率高。菲尼克斯電氣INTERFACE快速布線系統(tǒng)（參考圖5）用帶前適配器、后適配器、預(yù)制系統(tǒng)電纜的布線模塊進(jìn)行布線，控制柜內(nèi)90%的布線可以用預(yù)制系統(tǒng)電纜取代，降低了出錯幾率。這種快速布線系統(tǒng)已為眾多DCS、PLC廠家及直接用戶使用，如AB、ABB、Emerson、GE、Honeywell 等DCS、PLC廠家。

   艾默生過程管理（Emerson Process Management）公司2010年在DeltaV DCS V11版本的系統(tǒng)中推出采用了電子布線技術(shù)S系列產(chǎn)品，這一技術(shù)主要是用在那些采用傳統(tǒng)布線方式的場合，并對傳統(tǒng)布線方式作了重大改進(jìn)。

   電子布線綜合應(yīng)用了現(xiàn)場總線技術(shù)、遠(yuǎn)程I/O技術(shù)及I/O onDemand（按需配置I/O）技術(shù)，為用戶顯著簡化了設(shè)計和安裝工作。

   圖6 為電子布線技術(shù)示意圖， 圖中所示機(jī)柜尺寸為800mm×800mm（寬×高），深度為600mm的機(jī)柜僅為前開門，深度為800mm的機(jī)柜為前后開門。每一面豎向布置三排，每一排最上面是冗余配置的CHARM I/O卡，往下是8塊底板，每塊底板上可以插入12個CHARM（CHARacterization Module，特性模塊），每個CHARM可選所需的I/O類型。每排96個CHARM通過底板上隱藏的數(shù)字總線將現(xiàn)場設(shè)備的信息傳送到CHARM I/O卡，CHARM I/O卡再通過冗余的以太網(wǎng)連接到Delta V的I/O網(wǎng)絡(luò)上。因此，機(jī)柜只看到進(jìn)CHARM的現(xiàn)場設(shè)備布線，而其余的布線因采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，所以我們看不到類似圖2中的雜亂無章的交叉布線。

   CHARM的I/O類型有：AI 4~20mA HART、AO 4~20mAHART、DI NAMUR（用于接近開關(guān)等）、DI 24VDC干接點、DO 100mA能量限制、熱電偶/mV、熱電阻、AI 0~10V 隔離、DO24VDC High Side、DI 24VDC隔離、DO 24VDC隔離、DI 120VAC隔離、DI 230VAC隔離、DO 120/230VAC隔離。

  與傳統(tǒng)布線方式相比，電子布線具有以下幾個方面的特點：

  （1）按需配置I/O

   由于每個CHARM的I/O類型可選，而不是像一般的控制系統(tǒng)是以I/O卡件為單位選擇，而I/O卡件上的點數(shù)通常為8、16、32甚至64點，所以實際使用中的I/O卡件往往有一定數(shù)量的閑置，現(xiàn)在按需配置I/O則可以用多少配置多少，萬一CHARM損壞，也只影響一個點的信息，更換時也只更換一個CHARM，因此可以說是在單通道級別實現(xiàn)信號回路的獨立性和靈活性。

   （2）簡化了設(shè)計和安裝工作

   在傳統(tǒng)的布線方式里，現(xiàn)場設(shè)備的配線通常需要經(jīng)過現(xiàn)場接線箱、布線、I/O柜到達(dá)控制器，對應(yīng)每一個步驟地設(shè)計工作見圖7。而為了在工程中實施傳統(tǒng)的布線方式，相應(yīng)的設(shè)計內(nèi)容就有：確定I/O表、確定控制器規(guī)模、電源設(shè)計、接地設(shè)計、P&ID圖、過程說明、安裝圖、機(jī)柜設(shè)計、現(xiàn)場接線箱設(shè)計、I/O柜端子排設(shè)計、現(xiàn)場接線箱端子排設(shè)計、電纜配置、管架配置、橋架配置。當(dāng)采用電子布線后，由于現(xiàn)場接線箱、布線、I/O柜等有的取消、有的大大簡化，所以上述工作量僅留下確定I/O表、確定控制器規(guī)模、電源設(shè)計、接地設(shè)計、P&ID圖、過程說明、安裝圖，而其余部分設(shè)計均不必再作。相應(yīng)的安裝工作量也可簡化，特別是大量的端子接線、布線、配管、配線橋架、查線等工作量可減少70%左右。
  
                  

  （3）可靠

  從CHARM到DeltaV S系列控制器的所有通訊都是完全冗余的，冗余CHARM I/O卡底板具有冗余通訊模塊，可用于一級和二級網(wǎng)絡(luò)連接，同時每個獨立的CHARM還配有冗余的電源和通訊底板，因而保證了整個系統(tǒng)在I/O環(huán)節(jié)的可靠性。但是CHARM沒有冗余，這是由于CHARM故障只影響一個通道，且可在線更換不影響其他CHARM的工作。

  （4）靈活

   CHARM I/O卡往上可以通過以太網(wǎng)與4個獨立的DeltaV S系列控制器通訊，而不像傳統(tǒng)的I/O只與1臺控制器通訊，這樣組態(tài)時控制器可在更大的范圍內(nèi)選擇某個I/O點。

  1臺DeltaV S系列控制器可以分配到多達(dá)16個CHARM I/O卡，每個CHARM I/O卡可連接8個底板，每塊底板上可插12個CHARM，即1個CHARM I/O卡往下可連接8×12=96個CHARM。而每個CHARM的I/O類型是可以根據(jù)需要任意選定的。

   （5）更適應(yīng)工程項目的變更

   由于工程項目在建設(shè)期間會產(chǎn)生或多或少的設(shè)計修改，控制系統(tǒng)也往往會有不少變動，現(xiàn)場施工結(jié)束時，設(shè)計人員常常會發(fā)出幾十張甚至數(shù)百張設(shè)計修改通知單，I/O數(shù)量變化、I/O類型變化將造成傳統(tǒng)的布線方式中端子接線、機(jī)柜配線、電纜數(shù)量等方面較大的改動工作量，增加了項目投資、延緩了項目投產(chǎn)時間。

  而采用電子布線技術(shù)的DeltaV S系列硬件讓工程項目的變更影響減少，大多數(shù)情況用戶只需鋪設(shè)到新增現(xiàn)場設(shè)備的線路，如果只是I/O類型變化（如液位開關(guān)量輸入信號改為模擬量輸入信號），甚至不需要重新布線，從CHARM I/O卡以后不需要增加或改動布線。因此，采用電子布線技術(shù)對現(xiàn)場設(shè)計到控制系統(tǒng)變動的容忍度較高，能適應(yīng)工程項目在建設(shè)期間經(jīng)常發(fā)生的各種臨時變更要求，并能使這些變動所造成的成本增加幅度減少。

   2.5　無線方式

   2.5.1　典型的流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以O(shè)neWireless無線系統(tǒng)為例，無線主干網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備構(gòu)成可能有很多方案，其中最常見的是由無線現(xiàn)場設(shè)備（如無線變送器）、無線網(wǎng)關(guān)（如多功能節(jié)點）、無線管理平臺組成的系統(tǒng)
 
                      

   2.5.2　擴(kuò)展的流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

   為了適應(yīng)大規(guī)模、遠(yuǎn)程傳送信息和集合無線視頻、移動工作站、位置跟蹤、人員安全集結(jié)、控制網(wǎng)絡(luò)橋接的要求，生產(chǎn)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主流廠家與通信廠家結(jié)合，推出了擴(kuò)展的流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。比如Honeywell公司是OneWireless系統(tǒng)的主推廠家，他采用了Cisco 1552s輕巧型接入點及Cisco無線LAN控制器（WLC）組成擴(kuò)展的流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
 
                   

   3　結(jié)束語

   從布線技術(shù)這樣一個角度來看RTU的發(fā)展，關(guān)注的是信息如何能傳送得更遠(yuǎn)、更可靠、費用更節(jié)省、設(shè)計安裝維護(hù)更簡單。與傳統(tǒng)布線方式比較，RTU具有非常大的優(yōu)勢，所以他取得了長足的進(jìn)步，但從近期的發(fā)展看，電子布線及無線技術(shù)在簡化布線甚至取消布線方面又前進(jìn)了一步，RTU行業(yè)或許應(yīng)對此給予更多的關(guān)注。 

   摘自《自動化博覽》2013年10月