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

   2　幾種布線方式

   2.1　傳統布線方式

   早期的控制系統（如PLC、DCS）是將與過程相聯的I/O模件集中在控制室的機柜里，通過并行總線由一臺主計算機進行協調控制和管理，大量的信號需要通過電纜從現場引到控制室的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總點數約2000多點，系統共使用了總長度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 傳統布線方式 

   圖2所示為傳統布線方式的示意圖，現場設備（包括變送器、調節閥等）的信號通過現場接線箱匯總，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的I/O模件的配線組件（如霍尼韋爾公司TDC-3000系統中的FTA現場端子板），他將經過端子排的現場信號線匯總，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場設備，如變送器、分析儀表、調節閥、開關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都頗為煩瑣。
 
                             
                                 圖3 現場總線系統示意圖

   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年在中國市場上推出的IMP數據采集器，每個數據采集器可采集10~20個信號（其分類有電流輸入、電壓輸入、鉑電阻輸入、開關量輸入等等），多塊IMP數據采集器以并聯方式通過一根總長可達1500m的雙芯雙絞S-網絡屏蔽電纜將所有現場設備的信號傳送到控制室。
  
                              
                           圖4 采用單根導線的控制柜布線示意圖

   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過程管理站可以通過I/O鏈接口處理器與遠程I/O連接，西門子公司的ET200遠程I/O可以通過Profibus-DP總線與S7300CPU通訊。
  
                     
                     圖5 INTERFACE-快速布線系統

   遠程I/O方式的接線方式遠比傳統布線方式簡單，通常遠程I/O本體就相當于現場接線箱，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，而是芯數非常少的專用電纜。
 
                  
                                 圖6 電子布線技術示意圖

   簡單的講遠程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，各個廠家都有自己標準，所以遠程I/O通常不能跨系統使用，由此就發展了采用通用通信標準的現場總線方式。

   2.3　現場總線方式

   現場總線（Fieldbus）是20世紀80年代中后期發展的新技術，他是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，是將單個分散的數字化、智能化的現場設備作為網絡節點，用總線與控制系統連接，實現信息交換及控制功能的網絡和系統。相對于遠程I/O來說，由于通信方式采用了符合國際標準的現場總線，所以他是一個開放的系統結構。
                  
        
   現場總線支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現供電和通信，圖3是現場總線系統示意圖。

   現場總線系統的布線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，往往無需增設新的電纜，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。

   多臺現場設備可以借用一根現場總線傳送信號，布線已經是相當簡單。但每一條現場總線實際連接的現場設備并不太多，以FF現場總線為例，雖然每條H1網段最多可接32臺現場設備，但受H1干線的支線數、電纜電阻、總線供電電源電壓、現場設備的最大消耗電流、現場設備的最小工作電壓、執行時間等因素的影響，通常每個網段只能掛接9~12臺現場設備，工程設計時則只掛接6~8臺現場設備。所以實際節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、電磁閥、指示燈等，可通過多變量FF現場儀表掛接到H1網段上。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現場儀表；多變量的DI/DO模盒可將8個接近開關和4臺電磁閥合為一臺FF現場儀表。因此，現場總線的使用可以節省一些電纜，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（參考圖5）用帶前適配器、后適配器、預制系統電纜的布線模塊進行布線，控制柜內90%的布線可以用預制系統電纜取代，降低了出錯幾率。這種快速布線系統已為眾多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版本的系統中推出采用了電子布線技術S系列產品，這一技術主要是用在那些采用傳統布線方式的場合，并對傳統布線方式作了重大改進。

   電子布線綜合應用了現場總線技術、遠程I/O技術及I/O onDemand（按需配置I/O）技術，為用戶顯著簡化了設計和安裝工作。

   圖6 為電子布線技術示意圖， 圖中所示機柜尺寸為800mm×800mm（寬×高），深度為600mm的機柜僅為前開門，深度為800mm的機柜為前后開門。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字總線將現場設備的信息傳送到CHARM I/O卡，CHARM I/O卡再通過冗余的以太網連接到Delta V的I/O網絡上。因此，機柜只看到進CHARM的現場設備布線，而其余的布線因采用了現場總線技術，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是以I/O卡件為單位選擇，而I/O卡件上的點數通常為8、16、32甚至64點，所以實際使用中的I/O卡件往往有一定數量的閑置，現在按需配置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信號回路的獨立性和靈活性。

   （2）簡化了設計和安裝工作

   在傳統的布線方式里，現場設備的配線通常需要經過現場接線箱、布線、I/O柜到達控制器，對應每一個步驟地設計工作見圖7。而為了在工程中實施傳統的布線方式，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、過程說明、安裝圖、機柜設計、現場接線箱設計、I/O柜端子排設計、現場接線箱端子排設計、電纜配置、管架配置、橋架配置。當采用電子布線后，由于現場接線箱、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、確定控制器規模、電源設計、接地設計、P&ID圖、過程說明、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絡連接，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在I/O環節的可靠性。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與4個獨立的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，這樣組態時控制器可在更大的范圍內選擇某個I/O點。

  1臺DeltaV S系列控制器可以分配到多達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產生或多或少的設計修改，控制系統也往往會有不少變動，現場施工結束時，設計人員常常會發出幾十張甚至數百張設計修改通知單，I/O數量變化、I/O類型變化將造成傳統的布線方式中端子接線、機柜配線、電纜數量等方面較大的改動工作量，增加了項目投資、延緩了項目投產時間。

  而采用電子布線技術的DeltaV S系列硬件讓工程項目的變更影響減少，大多數情況用戶只需鋪設到新增現場設備的線路，如果只是I/O類型變化（如液位開關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，采用電子布線技術對現場設計到控制系統變動的容忍度較高，能適應工程項目在建設期間經常發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　典型的流程行業無線網絡架構以OneWireless無線系統為例，無線主干網絡的設備構成可能有很多方案，其中最常見的是由無線現場設備（如無線變送器）、無線網關（如多功能節點）、無線管理平臺組成的系統
 
                      

   2.5.2　擴展的流程行業無線網絡架構

   為了適應大規模、遠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、控制網絡橋接的要求，生產無線網絡設備的主流廠家與通信廠家結合，推出了擴展的流程行業無線網絡。比如Honeywell公司是OneWireless系統的主推廠家，他采用了Cisco 1552s輕巧型接入點及Cisco無線LAN控制器（WLC）組成擴展的流程行業無線網絡系統。
 
                   

   3　結束語

   從布線技術這樣一個角度來看RTU的發展，關注的是信息如何能傳送得更遠、更可靠、費用更節省、設計安裝維護更簡單。與傳統布線方式比較，RTU具有非常大的優勢，所以他取得了長足的進步，但從近期的發展看，電子布線及無線技術在簡化布線甚至取消布線方面又前進了一步，RTU行業或許應對此給予更多的關注。 

   摘自《自動化博覽》2013年10月