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教你学会电子布线系统的设计及应用

2025年02月11日 12:53:00 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：32

文章介绍电子布线技术及电子布线系统特点，昌晖仪表结合应用案例总结了电子布线系统在过程控制应用中关于防爆、供电、接地等方面的经验供大家参考。

昌晖仪表针对某项目中现有机柜间空间和管廊承载力不足的问题，采用电子布线系统。电子布线系统以全新的I/O形式，通过可自定义信号类型的通道将端子柜的功能集成到系统内部，优化了系统性能，简化了设计安装工作，节省了时间成本。

1、电子布线系统概述
①电子布线技术特点
电子布线技术专注于过程自动化系统的集成、调试和试车运行等全过程，每个单独的I/O通道都可以通过电子布线分配至系统中的任意1台控制器中。

电子布线技术的核心是CIOC模块和CHARM模块，冗余的CIOC模块既可以布置在机柜间内的机柜中，也可以布置在现场的CHARM机柜内，CIOC模块结构如图1所示。CHARM模块通过底板上隐藏的数字总线将现场仪表的信息传送到CIOC模块上，可避免中大量的布线交叉。CHARM模块只有输入端配线，没有输出端配线。

图1 CIOC模块结构示意

②电子布线系统硬件组成
电子布线系统主要涉及以下硬件：
◆CIOC支架。该支架上安装1对冗余的CIOC模块，采用DIN导轨安装。
◆CIOC模块。控制回路的逻辑运算、数据运算及调节功能等均在CIOC模块上实现，此外CIOC模块还负责CHARM模块与控制器之间的通信。
◆底板。每块底板上可以安装12个CHARM插槽，每个插槽可以插入1只CHARM模块。同1块底板上可以安装不同类型的CHARM插槽。
◆CHARM插槽。CHARM插槽提供接线端子，以连接现场仪表和CHARM模块；CHARM插槽分为本安型和非本安型两类，其中非本安型CHARM插槽可提供标准端子、带保险丝的电源端子、继电器端子。
◆CHARM模块。CHARM模块具有模数转换、信号隔离功能，每只CHARM模块相当于传统DCS的1个I/O通道。
◆。电子布线系统的控制器与传统DCS的控制器硬件相同。

③电子布线系统特点
◆简化接线
电子布线系统接线时，现场仪表信号可单独传输或者通过接线箱汇集后传输至CHARM机柜。采用电子布线系统。信号的逻辑运算等通过冗余的CIOC模块完成，不同的CIOC模块之间采用光纤通信，对I/O通道可以任意控制器，该系统节省了编组柜。减少了潜在故障点，简化了机柜的接线工作。
◆可用性强
电子布线系统的高可用性主要体现在以下几个方面：
a、冗余性，除了CHARM模块以外，CHARM机柜内包括电源模块、CIOC模块以及CIOC模块至控制器之间的通信总线等均为冗余配置。
b、硬件适应性，电子布线系统硬件对操作环境要求宽松。能够适应绝大多数工况。
c、热插拔，每只CHARM块均支持手动热插拔；插入CHARM模块后，系统可自动定义I/O类型。
d、使用方便。任意信号可分配到任意控制器，每1对CIOC模块所连接的CHARM模块最多可以被分配到4台控制器：CHARAM插槽有复位按钮，方便更改CHARM模块的类型。
◆配置灵活
每对冗余的CIOC模块最多可配置8块底板，每块底板上可插入12只CIOC模块，每只CIOC模块接收1个仪表信号。CIOC机柜包含标准机柜、48点 CHARM机箱、96点CHARM机箱3种不同的规格，CHARM机柜可灵活选择直流24V和交流220V电源供电。
◆降低成本
采用电子布线系统，既可以降低资金成本，也可以降低时间成本。电子布线系统取消了机柜间的盘间电缆，简化了I/O通道的分配，减少了工作。控制器和I/O通道的分离可以大幅提高机柜的设计效率，适应未来有可能出现的1/O通道变更。如果增加回路信号，或者调整控制器等均不需要调整原来的接线。此外在项目设计阶段系统设计、I/O通道分配工作可以和机柜设计同时进行，减少了设计时间。

2、电子布线系统的应用
①项目介绍
某改造项目中的新建装置中I/O点数较多，现场机柜间没有足够的空间放置机柜，外管廊也没有足够的空间和承载能力用于敷设电缆。采用电子布线系统可以节省现场机柜间面积、降低电缆消耗，并可避免频繁修改对接线设计的影响。

②网络架构
该装置采用艾默生公司的电子布线系统，与传统的DCS、无线仪表系统等均为Delta V系统的一部分，均可以直接连接到Delta V系统的主网和副网上。该装置与其他采用艾默生DCS的已建装置共用数据库，实现统一管理。
◆DCS与SIS可以连接在同1个Delta V系统网络中，数据交互采用数据调用的方式完成。
◆DCS的CIOC模块和控制器通过交换机进行数据通信，若控制器与CIOC模块之间的通信路径切断，不影响系统控制层面的运行。
◆DCS的控制器可以带扩展卡，方便成套设备等与DCS之间的通信现场机柜间内布置的CHARM机柜，直接通过光缆连接到机柜间的交换机，接入Delta V系统控制网络；布置在装置现场的CHARM机柜，通过现场的光纤分配盘将附近CHARM机柜的光缆集中到一起，然后将主光缆敷设到机柜间，再连接至机柜间的交换机接入Delta V系统控制网络。

③I/O配置
不同的信号类型通过不同的CHARM插槽配合不同的CHARM模块来解决。不同的信号类型，有不同的解决方案，该装置的I/O配置方案见表1所列。
表1 I/O配置方案

信号类型危险区划分解决方案

AI                   非本安         AI卡+标准端子
AI                  本安            本安AI卡+本安标准端子
AI                   电气            本安AI卡+本安标准端子，仅用作隔离
AO                非本安         AO卡+标准端子
AO                本安            本安AO卡+本安标准端子
AO                电气            本安AO卡+本安标准端子，仅用作隔离
DI干触点        非本安         DI干触点卡+标准端子
DI干触点        本安            本安DINamur卡+本安标准端子
DI干触点        电气          DI干触点卡+标准端子+继电器隔离(外加)
DI Namur      非本安         DI Namur卡+标准端子
DI Namur      本安            本安DINamur卡+本安标准端子
DO直流24V   非本安         DO卡+标准端子。允许电流为100mA
DO直流24V   非本安         DO隔离卡+保险丝输电端子，允许电流为1A
DO直流24V   本安             本安DO卡+本安标准端子
DO直流24V   非本安         DO卡+标准端子+外接继电器
DO干触点      非本安         DO卡+继电器端子，适用于交流AC220V，允许电流为5A
DO干触点      电气            DO卡+继电器端子，适用于交流220V，允许电流为5A

该装置采用接线箱汇集信号，接线设计按照以下原则执行：
◆本安信号和非本安信号，接入不同的接线箱，经不同类型的电缆将信号传输至CHARM机柜。本安信号和非本安信号不能混合接入同1块底板内；
同1对CIOC模块，既可以连接本安型CHARM插槽，也可以连接非本安型的CHARM插槽。
◆该装置不采用RTD类型的CHARM模块，泵的轴承/转子测温信号接入独立的内设卡件式温度变送器的接线箱内，通过温度变送器转为4-20mA信号后接入CHARM机柜。
◆电磁阀信号独立设置接线箱，不与其他信号共用；且220V电磁阀信号不能与24V电磁阀信号共用接线箱。
◆其余模拟量信号和包含阀位反馈的开关量信号可共用同1只接线箱。
◆不设现场配电箱，由电源柜直接给电磁流量计、质量流量计、音又开关等供电。

⑤电子布线系统实施方案
该电子布线系统的具体实施方案如下，
◆现场仪表信号经接线箱汇总后，接入现场CHARM机柜。
◆泵的运行/故障等电气信号接入现场机柜间的CHARM机柜，系统的控制器布置在现场机柜间内。
◆布置在现场的CHARM机柜，为了防止柜内温度偏离硬件设备的工作温度（－40~70℃)，保证CHARM模块的防爆认证等满足规范要求，增强机柜的防护性能，设置了防护小屋。CHARM机柜布置于小屋内，小屋内设置空调系统，以保证系统可靠运行。
◆按照接线设计原则。每10个仪表信号接入1只接线箱，采用多芯电缆，经CHARM机柜底部定制的单格兰安装板，将信号从接线箱送至CHARM机柜。
◆根据现场仪表的布置，该装置设置了2个防护小屋，小屋布置在装置的边缘，远离震动源。
◆在执行过程中，成套机组/设备的PLC接至位于现场机柜间内的控制器扩展卡上，同时每面CHARM机柜的前5个通道留作机柜监测，通道监测机柜内温度。第二通道监测机柜内直流24V电源状态，其他通道根据情况另行定义。

3、电子布线系统应用探索
电子布线系统是一种新型的控制系统，其应用尚处于探索阶段，并没有足够的成熟案例可以参考，在应用时，与传统DCS相比还需要特别注意其防爆、供电系统、接地系统的设计。下面昌晖仪表以艾默生以太网布线为例介绍电子布线系统的应用。

①防爆设计
CHARM机柜布置在现场，环境中存在的爆炸性危险气体会侵入到机柜的内部，严重影响柜内设备的可靠运行，理论上电子布线系统的所有硬件设备均可在2区工作，但是220V电磁阀DO类型的CHARM模块仅通过了无火花认证，未通过增安认证，且可参考的案例不多。为了满足规范要求，该装置采用补偿式正压防爆小屋，即当内部的保护气体泄漏时，可根据泄漏量的大小，连续或间歇地补充保护气体，从而保持小屋内部正压，实现防爆功能。主要措施有以下几点：
a、小屋底部进线，不得破坏外壳的正压防爆性能。小屋底部的电缆进线孔根据小屋内CHARM机柜的布置、现场电缆的规格及数量设置，电缆通过增安型防爆格兰引入小屋内。
b、小屋采用的材质为304SS不锈钢，具有良好的阻燃性。能耐表面温度135℃而不损坏正压防爆性能。
c、小屋的抗压能力要大于正常运行时所规定的正压值的1.5倍，并能够承受GB3836.1-2010《爆炸性环境第1部分，设备通用要求》规定的冲击试验。
d、小屋内设置正压报警装置，防止保护气体供给系统出现故障导致的小屋内部正压超压。

②供电系统的设计
为了保证电子布线系统的可靠运行，限度地降低由电源异常造成的影响，装置建设时需要设计一个安全、性能可靠的供电系统。电子布线系统的供电系统包括：控制器供电，CHARM机柜供电，电磁阀等有源DO信号供电，现场仪表供电。该装置配置了2套冗余的UPS，UPS主电源和旁路电源由不同的母线供电，保证了供电可靠且能实现无扰动切换。双UPS并联供电方案如图2所示。

图2 双UPS供电方案示意

电子布线系统双电源的负载主要包括，控制器、服务器、现场CHARM机柜等，只要有1路UPS正常工作，则双电源负载就可以正常运行。单电源负载主要包括：操作站、交换机、现场仪表等，每路UPS分别给半数的操作站/交换机供电，假如有1路UPS故障，另外1路也能保证半数操作站/交换机可以正常运行，以便有足够的时间做出应急处置，说明如下：
◆CHARM机柜的供电。每个小屋内设置1面电源分配柜，电源分配柜由布置在现场机柜间内的双路UPS提供电源；现场布置的CHARM机柜由电源分配柜提供2路冗余交流220V电源。每面CHARM机柜配置1对20A电源模块给柜内CHARM模块和光电转换器等提供电源。
◆控制器的供电。控制器布置在现场机柜间内，为双电源负戟，其电源来自2路冗余的UPS。
◆电磁阀的供电，该装置使用的电磁阀供电电压为220V，由CHARM机柜给每块可能配置DO类型CHARM模块的底板供电，底板上有专用的电源接线端子，只要接通电源，则12块底板上的任意通道只要插入相应的DO类型CHARM模块就可以实现为电磁阀供电。
◆现场四线制仪表的供电。该装置所使用的四线制仪表有交流220V和直流24V两种供电方式。所有需要交流220V外供电的仪表，均由电源分配柜直接供电。直流24V供电仪表有两种情况，分布较集中区域采用小屋电源柜直接供电的方式；若需要供电的仪表布置相对分散，且处于非防爆区，可通过在CHARM机柜内CHARM模块给仪表供电，如果采用这种供电方式，则相应CHARM机柜需要另外增加单独的电源模块。

③接地系统的设计
现场CHARM机柜通过工作接地板和保护接地板接地，为了保证电子布线系统的稳定运行，该装置的接地系统，要符合HG/T20513-2014《仪表系统接地设计规范》以及系统生产厂家的接地要求。

现场信号的屏蔽线接至工作接地板。由于工作接地要求绝缘，因而其与保护接地汇总前应相互进行隔离。该装置框架内每个布置CHARM机柜的楼层均设置若干独立的工作接地板，此外，在该装置框架内还设置了若干保护接地板，各工作接地板之间和各保护接地板之间不串联，直接接至仪表总接地板。仪表总接地板通过专用接地极与全厂等电位接地网连接。为了方便检査接地电阻，该装置设置仪表专用接地井1个，该接地井与全厂接地网络连接。

根据系统配置，采用电子布线系统后，按照以下两个方案执行：
a、机柜间仪表接地系统与主接地网接口方案。现场机柜间或CHARM机柜室的仪表总接地板与室外仪表专用接地极可靠连接，接地电阻要求小于1Ω。仪表专用接地极通过仪表接地井与电气主接地干线连接。室内仪表总接地板与室外仪表专用接地极连接时，不允许与建筑防雷引下线直接连接。仪表总接地板的数量、位置以接地极的接地电阻按照HG/T20513-2014执行，机柜间仪表接地系统与主接地网接口方案如图3所示。

图3 机柜间仪表接地系统与主接地网接口方案示意

b、现场装置接地系统与主接地网接口方案。
布置在现场装置区的仪表总接地板或者采用带锁的仪表接地箱，与室外仪表专用接地极应可靠连接，接地电阻小于3Ω，仪表专用接地极通过接地扁钢与电气主接地干线连接。仪表总接地板与仪表专用接地极连接时，要求连接线与大地绝缘，现场装置仪表接地系统与主接地网接口方案如图4所示。

图4 现场装置仪表接地系统与主接地网接口方案示意
c、如成套机组CCS等其他系统的保护接地接入电气接地网，有特殊要求时可单独设置接地极，但不允许在建筑内或装置内与仪表接地系统连接。同时，计算机或DCS信号电缆的屏蔽层不得浮空，必须接至工作地接地板。

电子布线技术对传统布线方式做了重大改进，根据装置的具体情况，可与现场总线、无线、HART等技术形成互补，发挥各自的优势，以电子布线技术为基础的电子布线系统对于后期变更多，增加I/O比较多的场合，有着广泛的应用优势。
作者：解娜

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