電子布線系統在石化設計中的應用

王 賀，梁 策

（中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

隨著電子技術的發展，電子器件趨于小型化、功能特性化，促使控制系統組成部分中電子產品的組件成本在近十多年中急劇下降，出于成本考慮的多個I/O通道與卡件集成為一體的傳統設計思路優勢已經減弱，控制系統工程的施工進度、人工成本、相關材料工程費用、項目確定性乃至未來長周期運營的確定性等因素受到更多的關注，電子布線結構方式應運而生。各大控制系統公司相繼推出相關產品如：艾默生的Charm，霍尼韋爾的UniversalIO，橫河的Network-IO，施耐德的Intelligent Marshalling和ABB的Select IO等。近年，電子布線系統在化工設計領域進行探索應用，例如聚氨酯產業鏈一體化-乙烯項目、FREP福建煉油乙烯一體化項目、中石化天津中沙聚碳項目、南京帝斯曼東方化工DNCC項目、英威達HMD/Polymer漕涇項目、福建申遠尼龍項目、路博倫珠海潤滑油項目等[1]。本文就電子布線系統在石油化工設計領域中的應用進行闡述。

1 電子布線系統

電子布線是一種IO形式，將傳統的卡件信號類型、接線端子和通道特性一體化進行分離，使每個卡件變成具有獨立端子的特性化模塊。

1.1 傳統物理布線與電子布線技術的對比

電子布線技術與傳統物理布線方式在系統網絡機構和軟件組成方面基本一致，但在卡件配置、布線形式、可靠性、安裝方式、接地形式上有所不同，從而導致設計和施工工期、后期維護和項目投資的不同[2]。傳統物理布線方式與電子布線技術的對比見表1[3]。

表1 傳統物理布線方式與電子布線技術的對比Table 1 Comparison of traditional physical wiring methods and electronic wiring technologies

1.2 電子布線技術的硬件組成

電子布線技術機柜有系統柜、配電柜、IO卡件柜和通訊柜。系統柜、配電柜和通訊柜與傳統控制系統基本一致，IO卡件柜則采用專用支架、底板和插槽，將具有特性化模塊的IO卡件與繼電器/安全柵端子等集成在一起。每個特性化模塊（AI/AO/DI/DO/RTD/TC等）具有獨立端子，相當于傳統的一個IO通道，是通過自定義信號類型的通道將端子柜的功能集成到系統內部[4]。電子布線技術的IO卡件柜通過冗余的以太網接口來和控制器進行通信，并配有冗余的24VDC電源模塊和冗余的通訊模塊。卡件可手動快速彈出，無需工具并支持在線熱插拔，每個卡件內置獨立的Hart芯片訪問智能儀表。機柜間機柜的防護等級不低于IP44，配置如圖1。現場機柜的防護等級不低于IP65，配置如圖2。

圖1 機柜間機柜配置圖Fig.1 Cabinet configuration diagram between cabinets

圖2 現場機柜配置圖Fig.2 On-site cabinet configuration diagram

1.3 電子布線技術的網絡結構

網絡拓撲結構指網絡中各計算機相互連接的方法和方式，也是網絡的物理布局[5]。電子布線網絡是一個由主網和副網組成的冗余網絡，通過交換機將整個網絡連接到一起。介于交換機接口數量的限制，連接方式可以分為級連和星型連接兩種方式，如圖3、圖4。從經濟性考慮，當整個網絡內的交換機不超過3對時宜采用級聯，超過3對時采用星型連接。電子布線網絡一般采用星型連接方式，通過網線或者光纖接入到控制網絡，主網和副網的光纜采用不同的光纜分配箱，如果實在無法滿足條件至少使用不同的光纖熔接盒。

圖3 交換機級聯方式Fig.3 Switch cascading mode

圖4 交換機星型連接方式Fig.4 Switch star connection

2 電子布線系統的應用

國內某精細化工裝置分為多個單元，采用艾默生的Charm系統及本安型儀表，電子布線既有控制室安裝，也有現場安裝。

2.1 接線設計

該裝置的Charm機柜既有放置在機柜間也有放置在現場，系統柜、配電柜和通訊柜均放置在機柜間。當Charm機柜放置于機柜間時，采用傳統物理布線方式，即現場儀表先根據信號類型分別匯集到現場接線箱，再從現場接線箱通過多芯電纜接至機柜間內的Charm柜。當Charm機柜放置于現場時，現場儀表通過分支電纜直接接至現場Charm柜，再通過光纜接至機柜間的通訊柜，如果距離機柜室較遠且現場Charm柜比較分散，可以選用現場光纖分配柜，用于在現場將機柜室來的多路光纖分配給現場Charm柜[6]。需要注意的是，危險區放置的現場機柜都需認證。考慮到環境問題，對于裸露在空曠處的機柜，加裝防雨棚等保護，既避免陽光直射，也使雨水天氣時維護上更加便利。接線示意圖如圖5。

圖5 接線示意圖Fig.5 Wiring diagram

2.2 供電設計

電子布線技術首先需滿足SH/T 3082-2019《石油化工儀表供電設計規范》，既可以采用雙路冗余的220VAC UPS電源，又可以采用24VDC冗余電源，但是兩路供電電源必須相互獨立，并在電源的輸入端和輸出端設置隔離裝置。機柜間配電柜PDP給機柜間的設備供電[7]。建議現場機柜距離機柜室200m內且現場機柜少時，通過機柜間配電柜PDP柜直接給現場Charm機柜供電，如圖6。現場機柜距離機柜室200m以上時，在現場設置220VAC電源分配箱給現場Charm機柜和24VDC電源柜供電，如圖7。現場電源分配箱根據電壓的不同分為220VAC電源分配箱和24VDC電源分配箱，現場至少需要設置2個同種電壓等級的現場電源分配箱，同一現場機柜的2路冗余電源應分別從2個不同的現場電源分配箱引線[8]。機柜內的照明、散熱和加熱等供電采用市電，與系統和現場表的供電分開設置。現場電源分配箱的防爆等級和防護等級要求和卡件柜一致。

圖6 PDP柜直接給現場機柜供電圖Fig.6 PDP Cabinet directly supplying power to the on-site cabinet

圖7 通過現場分配箱給現場機柜供電圖Fig.7 Diagram of supplying power to the field cabinet through the field distribution box

2.3 接地設計

電子布線接地首先需滿足SH/T3081-2019《石油化工儀表接地設計規范》，儀表系統設置工作接地、保護接地和屏蔽接地3個接地匯流排；工作接地和屏蔽接地接入工作地匯流排，保護接地接入保護接地匯流排，此保護接地儀表專用[9]。機柜放置于機柜間內時，機柜間外設置儀表專用接地井，用于與全廠等電位接地網絡連接，需要特別注意的是儀表專用接地極與儀表總接地連線不能與建筑防雷下引線直接連接。機柜放置于現場時，在地面上設置儀表接地箱，儀表接地箱內安裝工作接地匯流排和保護接地匯流排，然后接至儀表專用接地箱內，儀表專用接地極與儀表接地箱間連線要求與大地絕緣[10]。接地電纜選用多芯銅質電纜，現場的接地匯流排到儀表專用匯流排的電纜選用120mm2黃綠色接地線；電子布線現場機柜、現場220VAC電源分配箱、現場24VDC電源分配箱到現場工作接地匯流排選用50mm2綠色接地線，到保護接地匯流排之間的接地選用50mm2黃綠色接地線。

2.4 應用效果

該裝置一次開車成功并平穩運行，電子布線技術得以成功應用。在項目實施過程中的優點是：首先項目周期短，使用特性化集成模塊，先軟件組態再硬件組態，組態可以和設計同步進行；機柜數量、接線、橋架變少，縮短了設計和施工工期；現場變更不用再找備用接線端子，直接加卡件即可，接線方便。其次總投資降低，設計施工周期短，人工費用降低，由于現場機柜的設置，大大減少了主電纜的投資，主橋架大量減少，降低主管廊土建投資。最后，后期維護量減少，由于采用了大量的本安電子布線，減少了外配安全柵的需求，中間環節的節省減少了故障點，簡化了后期維護的工作量。

3 結束語

電子布線技術在項目建設階段由于IO變更的靈活性，避免了IO的變更帶來的額外成本，保證了項目的快速執行，減少了項目執行的成本，使專業自動化技術人員從低端的線纜工程、回路調試、儀表組態等工作負荷中解放出來。在項目開車后的實際運行中，卡件的故障率低，穩定性好，易于擴展，便于技術改造。但長期放置在現場的機柜，由于常年暴露在風吹日曬的環境中，不利于其使用壽命，而且檢修受天氣變化影響較大。基于此，建議有條件地可將現場機柜放置在小屋內，至少安裝在陰涼處并做好防曬；針對溫度受限環境可以考慮增設加熱器或冷卻器來保證柜內電子元器件的使用溫度。