方原柏   昆明有色冶金設計研究院教授級高工

   1　概述

   自控制系統（PLC、DCS等等）問(wèn)世以來(lái)，雖然人們的主要精力集中在控制系統的類(lèi)型、功能、軟件、應用這幾個(gè)方面，但是由于從現場(chǎng)檢測設備到控制室控制系統之間的一對一的布線(xiàn)工作量實(shí)在是太大了，電纜、橋架以及敷設人工費用往往超出控制系統的費用，圖1展示的就是一個(gè)令人震驚的現場(chǎng)照片。所以在布線(xiàn)方面人們也在不斷摸索、不斷改進(jìn)，先后產(chǎn)生了RTU、現場(chǎng)總線(xiàn)、電子布線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)等幾種涉及布線(xiàn)類(lèi)型的產(chǎn)品，目的不外乎是減少甚至不用布線(xiàn)。
 
                      
                              圖1 控制室亂如蛛網(wǎng)的布線(xiàn)圖    

   2　幾種布線(xiàn)方式

   2.1　傳統布線(xiàn)方式

   早期的控制系統（如PLC、DCS）是將與過(guò)程相聯(lián)的I/O模件集中在控制室的機柜里，通過(guò)并行總線(xiàn)由一臺主計算機進(jìn)行協(xié)調控制和管理，大量的信號需要通過(guò)電纜從現場(chǎng)引到控制室的I/O模件上。作者在上世紀九十年代參與312m2大型燒結機的工程設計，采用了霍尼韋爾公司TDC-3000 DCS系統，I/O總點(diǎn)數約2000多點(diǎn)，系統共使用了總長(cháng)度108km的各種電纜，其中還包括數量較多的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(jiàn)布線(xiàn)工作量之大。
  
                         
               
                                   圖2 傳統布線(xiàn)方式 

   圖2所示為傳統布線(xiàn)方式的示意圖，現場(chǎng)設備（包括變送器、調節閥等）的信號通過(guò)現場(chǎng)接線(xiàn)箱匯總，以多芯電纜的方式送到控制室的端子接線(xiàn)柜，部分端子接線(xiàn)柜里裝有控制系統的I/O模件的配線(xiàn)組件（如霍尼韋爾公司TDC-3000系統中的FTA現場(chǎng)端子板），他將經(jīng)過(guò)端子排的現場(chǎng)信號線(xiàn)匯總，以廠(chǎng)家提供的帶插頭的多芯專(zhuān)用電纜連接到機柜的I/O模件上。由于端子排的接線(xiàn)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(lèi)現場(chǎng)設備，如變送器、分析儀表、調節閥、開(kāi)關(guān)量等不同種類(lèi)的信號，而I/O模件的配線(xiàn)組件是一個(gè)信號類(lèi)別一個(gè)組件，如4~20mA輸入、4~20mA輸出、開(kāi)關(guān)量輸入等等，這樣端子排到I/O模件的配線(xiàn)組件之間的布線(xiàn)相互交叉，看起來(lái)雜亂無(wú)章，令安裝后的查線(xiàn)及日常維護都頗為煩瑣。
 
                             
                                 圖3 現場(chǎng)總線(xiàn)系統示意圖

   2.2　RTU方式

   在上世紀八十年代中期，國外一些非主流控制系統的廠(chǎng)家研制出數據采集系統，如英國施倫伯杰（Schlumberger）公司1986年在中國市場(chǎng)上推出的IMP數據采集器，每個(gè)數據采集器可采集10~20個(gè)信號（其分類(lèi)有電流輸入、電壓輸入、鉑電阻輸入、開(kāi)關(guān)量輸入等等），多塊IMP數據采集器以并聯(lián)方式通過(guò)一根總長(cháng)可達1500m的雙芯雙絞S-網(wǎng)絡(luò )屏蔽電纜將所有現場(chǎng)設備的信號傳送到控制室。
  
                              
                           圖4 采用單根導線(xiàn)的控制柜布線(xiàn)示意圖

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

   遠程I/O方式的接線(xiàn)方式遠比傳統布線(xiàn)方式簡(jiǎn)單，通常遠程I/O本體就相當于現場(chǎng)接線(xiàn)箱，輸入信號一對一接線(xiàn)兩者大體一致，但其輸出不是多芯電纜，而是芯數非常少的專(zhuān)用電纜。
 
                  
                                 圖6 電子布線(xiàn)技術(shù)示意圖

   簡(jiǎn)單的講遠程I/O就是具有通信功能的數據采集/傳送模塊，但通信方式很多，各個(gè)廠(chǎng)家都有自己標準，所以遠程I/O通常不能跨系統使用，由此就發(fā)展了采用通用通信標準的現場(chǎng)總線(xiàn)方式。

   2.3　現場(chǎng)總線(xiàn)方式

   現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）是20世紀80年代中后期發(fā)展的新技術(shù)，他是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò )，是將單個(gè)分散的數字化、智能化的現場(chǎng)設備作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，用總線(xiàn)與控制系統連接，實(shí)現信息交換及控制功能的網(wǎng)絡(luò )和系統。相對于遠程I/O來(lái)說(shuō)，由于通信方式采用了符合國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)，所以他是一個(gè)開(kāi)放的系統結構。
                  
        
   現場(chǎng)總線(xiàn)支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線(xiàn)等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線(xiàn)制實(shí)現供電和通信，圖3是現場(chǎng)總線(xiàn)系統示意圖。

   現場(chǎng)總線(xiàn)系統的布線(xiàn)十分簡(jiǎn)單，由于一對雙絞線(xiàn)或一條電纜上可掛接多個(gè)設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線(xiàn)設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場(chǎng)控制設備時(shí)，往往無(wú)需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。

   多臺現場(chǎng)設備可以借用一根現場(chǎng)總線(xiàn)傳送信號，布線(xiàn)已經(jīng)是相當簡(jiǎn)單。但每一條現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)際連接的現場(chǎng)設備并不太多，以FF現場(chǎng)總線(xiàn)為例，雖然每條H1網(wǎng)段最多可接32臺現場(chǎng)設備，但受H1干線(xiàn)的支線(xiàn)數、電纜電阻、總線(xiàn)供電電源電壓、現場(chǎng)設備的最大消耗電流、現場(chǎng)設備的最小工作電壓、執行時(shí)間等因素的影響，通常每個(gè)網(wǎng)段只能掛接9~12臺現場(chǎng)設備，工程設計時(shí)則只掛接6~8臺現場(chǎng)設備。所以實(shí)際節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(kāi)關(guān)、電磁閥、指示燈等，可通過(guò)多變量FF現場(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FF現場(chǎng)儀表；多變量的DI/DO模盒可將8個(gè)接近開(kāi)關(guān)和4臺電磁閥合為一臺FF現場(chǎng)儀表。因此，現場(chǎng)總線(xiàn)的使用可以節省一些電纜，但仍然存在一部分布線(xiàn)。

   2.4　電子布線(xiàn)方式

   傳統的控制柜布線(xiàn)示意見(jiàn)圖4，布線(xiàn)工作量大，出錯的幾率高。菲尼克斯電氣INTERFACE快速布線(xiàn)系統（參考圖5）用帶前適配器、后適配器、預制系統電纜的布線(xiàn)模塊進(jìn)行布線(xiàn)，控制柜內90%的布線(xiàn)可以用預制系統電纜取代，降低了出錯幾率。這種快速布線(xiàn)系統已為眾多DCS、PLC廠(chǎng)家及直接用戶(hù)使用，如AB、ABB、Emerson、GE、Honeywell 等DCS、PLC廠(chǎng)家。

   艾默生過(guò)程管理（Emerson Process Management）公司2010年在DeltaV DCS V11版本的系統中推出采用了電子布線(xiàn)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布線(xiàn)方式的場(chǎng)合，并對傳統布線(xiàn)方式作了重大改進(jìn)。

   電子布線(xiàn)綜合應用了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、遠程I/O技術(shù)及I/O onDemand（按需配置I/O）技術(shù)，為用戶(hù)顯著(zhù)簡(jiǎn)化了設計和安裝工作。

   圖6 為電子布線(xiàn)技術(shù)示意圖， 圖中所示機柜尺寸為800mm×800mm（寬×高），深度為600mm的機柜僅為前開(kāi)門(mén)，深度為800mm的機柜為前后開(kāi)門(mén)。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(lèi)型。每排96個(gè)CHARM通過(guò)底板上隱藏的數字總線(xiàn)將現場(chǎng)設備的信息傳送到CHARM I/O卡，CHARM I/O卡再通過(guò)冗余的以太網(wǎng)連接到Delta V的I/O網(wǎng)絡(luò )上。因此，機柜只看到進(jìn)CHARM的現場(chǎng)設備布線(xiàn)，而其余的布線(xiàn)因采用了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，所以我們看不到類(lèi)似圖2中的雜亂無(wú)章的交叉布線(xiàn)。

   CHARM的I/O類(lèi)型有：AI 4~20mA HART、AO 4~20mAHART、DI NAMUR（用于接近開(kāi)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。

  與傳統布線(xiàn)方式相比，電子布線(xiàn)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(lèi)型可選，而不是像一般的控制系統是以I/O卡件為單位選擇，而I/O卡件上的點(diǎn)數通常為8、16、32甚至64點(diǎn)，所以實(shí)際使用中的I/O卡件往往有一定數量的閑置，現在按需配置I/O則可以用多少配置多少，萬(wàn)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(shuō)是在單通道級別實(shí)現信號回路的獨立性和靈活性。

   （2）簡(jiǎn)化了設計和安裝工作

   在傳統的布線(xiàn)方式里，現場(chǎng)設備的配線(xiàn)通常需要經(jīng)過(guò)現場(chǎng)接線(xiàn)箱、布線(xiàn)、I/O柜到達控制器，對應每一個(gè)步驟地設計工作見(jiàn)圖7。而為了在工程中實(shí)施傳統的布線(xiàn)方式，相應的設計內容就有：確定I/O表、確定控制器規模、電源設計、接地設計、P&ID圖、過(guò)程說(shuō)明、安裝圖、機柜設計、現場(chǎng)接線(xiàn)箱設計、I/O柜端子排設計、現場(chǎng)接線(xiàn)箱端子排設計、電纜配置、管架配置、橋架配置。當采用電子布線(xiàn)后，由于現場(chǎng)接線(xiàn)箱、布線(xiàn)、I/O柜等有的取消、有的大大簡(jiǎn)化，所以上述工作量?jì)H留下確定I/O表、確定控制器規模、電源設計、接地設計、P&ID圖、過(guò)程說(shuō)明、安裝圖，而其余部分設計均不必再作。相應的安裝工作量也可簡(jiǎn)化，特別是大量的端子接線(xiàn)、布線(xiàn)、配管、配線(xiàn)橋架、查線(xiàn)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(shí)每個(gè)獨立的CHARM還配有冗余的電源和通訊底板，因而保證了整個(gè)系統在I/O環(huán)節的可靠性。但是CHARM沒(méi)有冗余，這是由于CHARM故障只影響一個(gè)通道，且可在線(xiàn)更換不影響其他CHARM的工作。

  （4）靈活

   CHARM I/O卡往上可以通過(guò)以太網(wǎng)與4個(gè)獨立的DeltaV S系列控制器通訊，而不像傳統的I/O只與1臺控制器通訊，這樣組態(tài)時(shí)控制器可在更大的范圍內選擇某個(gè)I/O點(diǎn)。

  1臺DeltaV S系列控制器可以分配到多達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(lèi)型是可以根據需要任意選定的。

   （5）更適應工程項目的變更

   由于工程項目在建設期間會(huì )產(chǎn)生或多或少的設計修改，控制系統也往往會(huì )有不少變動(dòng)，現場(chǎng)施工結束時(shí)，設計人員常常會(huì )發(fā)出幾十張甚至數百張設計修改通知單，I/O數量變化、I/O類(lèi)型變化將造成傳統的布線(xiàn)方式中端子接線(xiàn)、機柜配線(xiàn)、電纜數量等方面較大的改動(dòng)工作量，增加了項目投資、延緩了項目投產(chǎn)時(shí)間。

  而采用電子布線(xiàn)技術(shù)的DeltaV S系列硬件讓工程項目的變更影響減少，大多數情況用戶(hù)只需鋪設到新增現場(chǎng)設備的線(xiàn)路，如果只是I/O類(lèi)型變化（如液位開(kāi)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(xiàn)，從CHARM I/O卡以后不需要增加或改動(dòng)布線(xiàn)。因此，采用電子布線(xiàn)技術(shù)對現場(chǎng)設計到控制系統變動(dòng)的容忍度較高，能適應工程項目在建設期間經(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(wú)線(xiàn)方式

   2.5.1　典型的流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構以OneWireless無(wú)線(xiàn)系統為例，無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )的設備構成可能有很多方案，其中最常見(jiàn)的是由無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備（如無(wú)線(xiàn)變送器）、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)（如多功能節點(diǎn)）、無(wú)線(xiàn)管理平臺組成的系統
 
                      

   2.5.2　擴展的流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構

   為了適應大規模、遠程傳送信息和集合無(wú)線(xiàn)視頻、移動(dòng)工作站、位置跟蹤、人員安全集結、控制網(wǎng)絡(luò )橋接的要求，生產(chǎn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備的主流廠(chǎng)家與通信廠(chǎng)家結合，推出了擴展的流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。比如Honeywell公司是OneWireless系統的主推廠(chǎng)家，他采用了Cisco 1552s輕巧型接入點(diǎn)及Cisco無(wú)線(xiàn)LAN控制器（WLC）組成擴展的流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。
 
                   

   3　結束語(yǔ)

   從布線(xiàn)技術(shù)這樣一個(gè)角度來(lái)看RTU的發(fā)展，關(guān)注的是信息如何能傳送得更遠、更可靠、費用更節省、設計安裝維護更簡(jiǎn)單。與傳統布線(xiàn)方式比較，RTU具有非常大的優(yōu)勢，所以他取得了長(cháng)足的進(jìn)步，但從近期的發(fā)展看，電子布線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)技術(shù)在簡(jiǎn)化布線(xiàn)甚至取消布線(xiàn)方面又前進(jìn)了一步，RTU行業(yè)或許應對此給予更多的關(guān)注。 

   摘自《自動(dòng)化博覽》2013年10月