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                   方原柏   昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院教授級(jí)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(gè)方面，但是由于從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備到控制室控制系統(tǒng)之間的一對(duì)一的布線工作量實(shí)在是太大了，電纜、橋架以及敷設(shè)人工費(fèi)用往往超出控制系統(tǒng)的費(fèi)用，圖1展示的就是一個(gè)令人震驚的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(tái)主計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制和管理，大量的信號(hào)需要通過電纜從現(xiàn)場(chǎng)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(jì)，采用了霍尼韋爾公司TDC-3000 DCS系統(tǒng)，I/O總點(diǎn)數(shù)約2000多點(diǎn)，系統(tǒng)共使用了總長(zhǎng)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(chǎng)設(shè)備（包括變送器、調(diào)節(jié)閥等）的信號(hào)通過現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)端子板），他將經(jīng)過端子排的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(hào)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(chǎng)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(hào)，而I/O模件的配線組件是一個(gè)信號(hào)類別一個(gè)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(chǎng)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(chǎng)上推出的IMP數(shù)據(jù)采集器，每個(gè)數(shù)據(jù)采集器可采集10~20個(gè)信號(hào)（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(zhǎng)可達(dá)1500m的雙芯雙絞S-網(wǎng)絡(luò)屏蔽電纜將所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)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(jiǎn)單，通常遠(yuǎn)程I/O本體就相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)接線箱，輸入信號(hào)一對(duì)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(jiǎn)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(gè)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(chǎng)總線方式。

   2.3　現(xiàn)場(chǎng)總線方式

   現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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(gè)分散的數(shù)字化、智能化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線與控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)信息交換及控制功能的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。相對(duì)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(chǎng)總線，所以他是一個(gè)開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
                  
        
   現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)供電和通信，圖3是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)示意圖。

   現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的布線十分簡(jiǎn)單，由于一對(duì)雙絞線或一條電纜上可掛接多個(gè)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(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，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(jì)、安裝的工作量。

   多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以借用一根現(xiàn)場(chǎng)總線傳送信號(hào)，布線已經(jīng)是相當(dāng)簡(jiǎn)單。但每一條現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)際連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并不太多，以FF現(xiàn)場(chǎng)總線為例，雖然每條H1網(wǎng)段最多可接32臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備的最大消耗電流、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的最小工作電壓、執(zhí)行時(shí)間等因素的影響，通常每個(gè)網(wǎng)段只能掛接9~12臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，工程設(shè)計(jì)時(shí)則只掛接6~8臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。所以實(shí)際節(jié)省電纜也不像想象中的那么多。而有一些簡(jiǎn)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(chǎng)儀表掛接到H1網(wǎng)段上。比如，多變量的FF溫變可將8個(gè)熱電偶或熱電阻合為一臺(tái)FF現(xiàn)場(chǎng)儀表；多變量的DI/DO模盒可將8個(gè)接近開關(guān)和4臺(tái)電磁閥合為一臺(tái)FF現(xiàn)場(chǎng)儀表。因此，現(xiàn)場(chǎng)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(cuò)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(cuò)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(chǎng)合，并對(duì)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(chǎng)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)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(gè)CHARM（CHARacterization Module，特性模塊），每個(gè)CHARM可選所需的I/O類型。每排96個(gè)CHARM通過底板上隱藏的數(shù)字總線將現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備布線，而其余的布線因采用了現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)、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(gè)方面的特點(diǎn)：

  （1）按需配置I/O

   由于每個(gè)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(diǎn)數(shù)通常為8、16、32甚至64點(diǎn)，所以實(shí)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(gè)點(diǎn)的信息，更換時(shí)也只更換一個(gè)CHARM，因此可以說是在單通道級(jí)別實(shí)現(xiàn)信號(hào)回路的獨(dú)立性和靈活性。

   （2）簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和安裝工作

   在傳統(tǒng)的布線方式里，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配線通常需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)接線箱、布線、I/O柜到達(dá)控制器，對(duì)應(yīng)每一個(gè)步驟地設(shè)計(jì)工作見圖7。而為了在工程中實(shí)施傳統(tǒng)的布線方式，相應(yīng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容就有：確定I/O表、確定控制器規(guī)模、電源設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、P&ID圖、過程說明、安裝圖、機(jī)柜設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)接線箱設(shè)計(jì)、I/O柜端子排設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)接線箱端子排設(shè)計(jì)、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(chǎng)接線箱、布線、I/O柜等有的取消、有的大大簡(jiǎn)化，所以上述工作量?jī)H留下確定I/O表、確定控制器規(guī)模、電源設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、P&ID圖、過程說明、安裝圖，而其余部分設(shè)計(jì)均不必再作。相應(yīng)的安裝工作量也可簡(jiǎn)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(jí)和二級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)每個(gè)獨(dú)立的CHARM還配有冗余的電源和通訊底板，因而保證了整個(gè)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(gè)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(gè)獨(dú)立的DeltaV S系列控制器通訊，而不像傳統(tǒng)的I/O只與1臺(tái)控制器通訊，這樣組態(tài)時(shí)控制器可在更大的范圍內(nèi)選擇某個(gè)I/O點(diǎn)。

  1臺(tái)DeltaV S系列控制器可以分配到多達(dá)16個(gè)CHARM I/O卡，每個(gè)CHARM I/O卡可連接8個(gè)底板，每塊底板上可插12個(gè)CHARM，即1個(gè)CHARM I/O卡往下可連接8×12=96個(gè)CHARM。而每個(gè)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(xiàng)目的變更

   由于工程項(xiàng)目在建設(shè)期間會(huì)產(chǎn)生或多或少的設(shè)計(jì)修改，控制系統(tǒng)也往往會(huì)有不少變動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)束時(shí)，設(shè)計(jì)人員常常會(huì)發(fā)出幾十張甚至數(shù)百張?jiān)O(shè)計(jì)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(dòng)工作量，增加了項(xiàng)目投資、延緩了項(xiàng)目投產(chǎn)時(shí)間。

  而采用電子布線技術(shù)的DeltaV S系列硬件讓工程項(xiàng)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(chǎng)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(hào)改為模擬量輸入信號(hào)），甚至不需要重新布線，從CHARM I/O卡以后不需要增加或改動(dòng)布線。因此，采用電子布線技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)變動(dòng)的容忍度較高，能適應(yīng)工程項(xiàng)目在建設(shè)期間經(jīng)常發(fā)生的各種臨時(shí)變更要求，并能使這些變動(dòng)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(chǎng)設(shè)備（如無線變送器）、無線網(wǎng)關(guān)（如多功能節(jié)點(diǎn)）、無線管理平臺(tái)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(dòng)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(diǎn)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(gè)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(fèi)用更節(jié)省、設(shè)計(jì)安裝維護(hù)更簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)布線方式比較，RTU具有非常大的優(yōu)勢(shì)，所以他取得了長(zhǎng)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(jiǎn)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(duì)此給予更多的關(guān)注。 

   摘自《自動(dòng)化博覽》2013年10月