電子布線系統(tǒng)在石化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 賀，梁 策

（中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件趨于小型化、功能特性化，促使控制系統(tǒng)組成部分中電子產(chǎn)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(gè)I/O通道與卡件集成為一體的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路優(yōu)勢(shì)已經(jīng)減弱，控制系統(tǒng)工程的施工進(jìn)度、人工成本、相關(guān)材料工程費(fèi)用、項(xiàng)目確定性乃至未來長(zhǎng)周期運(yùn)營(yíng)的確定性等因素受到更多的關(guān)注，電子布線結(jié)構(gòu)方式應(yīng)運(yùn)而生。各大控制系統(tǒng)公司相繼推出相關(guān)產(chǎn)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(tǒng)在化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行探索應(yīng)用，例如聚氨酯產(chǎn)業(yè)鏈一體化-乙烯項(xiàng)目、FREP福建煉油乙烯一體化項(xiàng)目、中石化天津中沙聚碳項(xiàng)目、南京帝斯曼東方化工DNCC項(xiàng)目、英威達(dá)HMD/Polymer漕涇項(xiàng)目、福建申遠(yuǎn)尼龍項(xiàng)目、路博倫珠海潤(rùn)滑油項(xiàng)目等[1]。本文就電子布線系統(tǒng)在石油化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 電子布線系統(tǒng)

電子布線是一種IO形式，將傳統(tǒng)的卡件信號(hào)類型、接線端子和通道特性一體化進(jìn)行分離，使每個(gè)卡件變成具有獨(dú)立端子的特性化模塊。

1.1 傳統(tǒng)物理布線與電子布線技術(shù)的對(duì)比

電子布線技術(shù)與傳統(tǒng)物理布線方式在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)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(dǎo)致設(shè)計(jì)和施工工期、后期維護(hù)和項(xiàng)目投資的不同[2]。傳統(tǒng)物理布線方式與電子布線技術(shù)的對(duì)比見表1[3]。

表1 傳統(tǒng)物理布線方式與電子布線技術(shù)的對(duì)比Table 1 Comparison of traditional physical wiring methods and electronic wiring technologies

1.2 電子布線技術(shù)的硬件組成

電子布線技術(shù)機(jī)柜有系統(tǒng)柜、配電柜、IO卡件柜和通訊柜。系統(tǒng)柜、配電柜和通訊柜與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)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(gè)特性化模塊（AI/AO/DI/DO/RTD/TC等）具有獨(dú)立端子，相當(dāng)于傳統(tǒng)的一個(gè)IO通道，是通過自定義信號(hào)類型的通道將端子柜的功能集成到系統(tǒng)內(nèi)部[4]。電子布線技術(shù)的IO卡件柜通過冗余的以太網(wǎng)接口來和控制器進(jìn)行通信，并配有冗余的24VDC電源模塊和冗余的通訊模塊?？墒謩?dòng)快速?gòu)棾觯瑹o需工具并支持在線熱插拔，每個(gè)卡件內(nèi)置獨(dú)立的Hart芯片訪問智能儀表。機(jī)柜間機(jī)柜的防護(hù)等級(jí)不低于IP44，配置如圖1?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜的防護(hù)等級(jí)不低于IP65，配置如圖2。

圖1 機(jī)柜間機(jī)柜配置圖Fig.1 Cabinet configuration diagram between cabinets

圖2 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜配置圖Fig.2 On-site cabinet configuration diagram

1.3 電子布線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指網(wǎng)絡(luò)中各計(jì)算機(jī)相互連接的方法和方式，也是網(wǎng)絡(luò)的物理布局[5]。電子布線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由主網(wǎng)和副網(wǎng)組成的冗余網(wǎng)絡(luò)，通過交換機(jī)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接到一起。介于交換機(jī)接口數(shù)量的限制，連接方式可以分為級(jí)連和星型連接兩種方式，如圖3、圖4。從經(jīng)濟(jì)性考慮，當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的交換機(jī)不超過3對(duì)時(shí)宜采用級(jí)聯(lián)，超過3對(duì)時(shí)采用星型連接。電子布線網(wǎng)絡(luò)一般采用星型連接方式，通過網(wǎng)線或者光纖接入到控制網(wǎng)絡(luò)，主網(wǎng)和副網(wǎng)的光纜采用不同的光纜分配箱，如果實(shí)在無法滿足條件至少使用不同的光纖熔接盒。

圖3 交換機(jī)級(jí)聯(lián)方式Fig.3 Switch cascading mode

圖4 交換機(jī)星型連接方式Fig.4 Switch star connection

2 電子布線系統(tǒng)的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某精細(xì)化工裝置分為多個(gè)單元，采用艾默生的Charm系統(tǒng)及本安型儀表，電子布線既有控制室安裝，也有現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.1 接線設(shè)計(jì)

該裝置的Charm機(jī)柜既有放置在機(jī)柜間也有放置在現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)柜、配電柜和通訊柜均放置在機(jī)柜間。當(dāng)Charm機(jī)柜放置于機(jī)柜間時(shí)，采用傳統(tǒng)物理布線方式，即現(xiàn)場(chǎng)儀表先根據(jù)信號(hào)類型分別匯集到現(xiàn)場(chǎng)接線箱，再?gòu)默F(xiàn)場(chǎng)接線箱通過多芯電纜接至機(jī)柜間內(nèi)的Charm柜。當(dāng)Charm機(jī)柜放置于現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)儀表通過分支電纜直接接至現(xiàn)場(chǎng)Charm柜，再通過光纜接至機(jī)柜間的通訊柜，如果距離機(jī)柜室較遠(yuǎn)且現(xiàn)場(chǎng)Charm柜比較分散，可以選用現(xiàn)場(chǎng)光纖分配柜，用于在現(xiàn)場(chǎng)將機(jī)柜室來的多路光纖分配給現(xiàn)場(chǎng)Charm柜[6]。需要注意的是，危險(xiǎn)區(qū)放置的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜都需認(rèn)證?？紤]到環(huán)境問題，對(duì)于裸露在空曠處的機(jī)柜，加裝防雨棚等保護(hù)，既避免陽光直射，也使雨水天氣時(shí)維護(hù)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(shè)計(jì)

電子布線技術(shù)首先需滿足SH/T 3082-2019《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)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(dú)立，并在電源的輸入端和輸出端設(shè)置隔離裝置。機(jī)柜間配電柜PDP給機(jī)柜間的設(shè)備供電[7]。建議現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜距離機(jī)柜室200m內(nèi)且現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜少時(shí)，通過機(jī)柜間配電柜PDP柜直接給現(xiàn)場(chǎng)Charm機(jī)柜供電，如圖6。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜距離機(jī)柜室200m以上時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置220VAC電源分配箱給現(xiàn)場(chǎng)Charm機(jī)柜和24VDC電源柜供電，如圖7?，F(xiàn)場(chǎng)電源分配箱根據(jù)電壓的不同分為220VAC電源分配箱和24VDC電源分配箱，現(xiàn)場(chǎng)至少需要設(shè)置2個(gè)同種電壓等級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)電源分配箱，同一現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜的2路冗余電源應(yīng)分別從2個(gè)不同的現(xiàn)場(chǎng)電源分配箱引線[8]。機(jī)柜內(nèi)的照明、散熱和加熱等供電采用市電，與系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)表的供電分開設(shè)置。現(xiàn)場(chǎng)電源分配箱的防爆等級(jí)和防護(hù)等級(jí)要求和卡件柜一致。

圖6 PDP柜直接給現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜供電圖Fig.6 PDP Cabinet directly supplying power to the on-site cabinet

圖7 通過現(xiàn)場(chǎng)分配箱給現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜供電圖Fig.7 Diagram of supplying power to the field cabinet through the field distribution box

2.3 接地設(shè)計(jì)

電子布線接地首先需滿足SH/T3081-2019《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》，儀表系統(tǒng)設(shè)置工作接地、保護(hù)接地和屏蔽接地3個(gè)接地匯流排；工作接地和屏蔽接地接入工作地匯流排，保護(hù)接地接入保護(hù)接地匯流排，此保護(hù)接地儀表專用[9]。機(jī)柜放置于機(jī)柜間內(nèi)時(shí)，機(jī)柜間外設(shè)置儀表專用接地井，用于與全廠等電位接地網(wǎng)絡(luò)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(jī)柜放置于現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，在地面上設(shè)置儀表接地箱，儀表接地箱內(nèi)安裝工作接地匯流排和保護(hù)接地匯流排，然后接至儀表專用接地箱內(nèi)，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(zhì)電纜，現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜、現(xiàn)場(chǎng)220VAC電源分配箱、現(xiàn)場(chǎng)24VDC電源分配箱到現(xiàn)場(chǎng)工作接地匯流排選用50mm2綠色接地線，到保護(hù)接地匯流排之間的接地選用50mm2黃綠色接地線。

2.4 應(yīng)用效果

該裝置一次開車成功并平穩(wěn)運(yùn)行，電子布線技術(shù)得以成功應(yīng)用。在項(xiàng)目實(shí)施過程中的優(yōu)點(diǎn)是：首先項(xiàng)目周期短，使用特性化集成模塊，先軟件組態(tài)再硬件組態(tài)，組態(tài)可以和設(shè)計(jì)同步進(jìn)行；機(jī)柜數(shù)量、接線、橋架變少，縮短了設(shè)計(jì)和施工工期；現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)施工周期短，人工費(fèi)用降低，由于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜的設(shè)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(hù)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(huán)節(jié)的節(jié)省減少了故障點(diǎn)，簡(jiǎn)化了后期維護(hù)的工作量。

3 結(jié)束語

電子布線技術(shù)在項(xiàng)目建設(shè)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(xiàng)目的快速執(zhí)行，減少了項(xiàng)目執(zhí)行的成本，使專業(yè)自動(dòng)化技術(shù)人員從低端的線纜工程、回路調(diào)試、儀表組態(tài)等工作負(fù)荷中解放出來。在項(xiàng)目開車后的實(shí)際運(yùn)行中，卡件的故障率低，穩(wěn)定性好，易于擴(kuò)展，便于技術(shù)改造。但長(zhǎng)期放置在現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)柜，由于常年暴露在風(fēng)吹日曬的環(huán)境中，不利于其使用壽命，而且檢修受天氣變化影響較大?；诖?，建議有條件地可將現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜放置在小屋內(nèi)，至少安裝在陰涼處并做好防曬；針對(duì)溫度受限環(huán)境可以考慮增設(shè)加熱器或冷卻器來保證柜內(nèi)電子元器件的使用溫度。