电子布线系统在石化设计中的应用

王 贺，梁 策

（中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

随着电子技术的发展，电子器件趋于小型化、功能特性化，促使控制系统组成部分中电子产品的组件成本在近十多年中急剧下降，出于成本考虑的多个I/O通道与卡件集成为一体的传统设计思路优势已经减弱，控制系统工程的施工进度、人工成本、相关材料工程费用、项目确定性乃至未来长周期运营的确定性等因素受到更多的关注，电子布线结构方式应运而生。各大控制系统公司相继推出相关产品如：艾默生的Charm，霍尼韦尔的UniversalIO，横河的Network-IO，施耐德的Intelligent Marshalling和ABB的Select IO等。近年，电子布线系统在化工设计领域进行探索应用，例如聚氨酯产业链一体化-乙烯项目、FREP福建炼油乙烯一体化项目、中石化天津中沙聚碳项目、南京帝斯曼东方化工DNCC项目、英威达HMD/Polymer漕泾项目、福建申远尼龙项目、路博伦珠海润滑油项目等[1]。本文就电子布线系统在石油化工设计领域中的应用进行阐述。

1 电子布线系统

电子布线是一种IO形式，将传统的卡件信号类型、接线端子和通道特性一体化进行分离，使每个卡件变成具有独立端子的特性化模块。

1.1 传统物理布线与电子布线技术的对比

电子布线技术与传统物理布线方式在系统网络机构和软件组成方面基本一致，但在卡件配置、布线形式、可靠性、安装方式、接地形式上有所不同，从而导致设计和施工工期、后期维护和项目投资的不同[2]。传统物理布线方式与电子布线技术的对比见表1[3]。

表1 传统物理布线方式与电子布线技术的对比Table 1 Comparison of traditional physical wiring methods and electronic wiring technologies

1.2 电子布线技术的硬件组成

电子布线技术机柜有系统柜、配电柜、IO卡件柜和通讯柜。系统柜、配电柜和通讯柜与传统控制系统基本一致，IO卡件柜则采用专用支架、底板和插槽，将具有特性化模块的IO卡件与继电器/安全栅端子等集成在一起。每个特性化模块（AI/AO/DI/DO/RTD/TC等）具有独立端子，相当于传统的一个IO通道，是通过自定义信号类型的通道将端子柜的功能集成到系统内部[4]。电子布线技术的IO卡件柜通过冗余的以太网接口来和控制器进行通信，并配有冗余的24VDC电源模块和冗余的通讯模块。卡件可手动快速弹出，无需工具并支持在线热插拔，每个卡件内置独立的Hart芯片访问智能仪表。机柜间机柜的防护等级不低于IP44，配置如图1。现场机柜的防护等级不低于IP65，配置如图2。

图1 机柜间机柜配置图Fig.1 Cabinet configuration diagram between cabinets

图2 现场机柜配置图Fig.2 On-site cabinet configuration diagram

1.3 电子布线技术的网络结构

网络拓扑结构指网络中各计算机相互连接的方法和方式，也是网络的物理布局[5]。电子布线网络是一个由主网和副网组成的冗余网络，通过交换机将整个网络连接到一起。介于交换机接口数量的限制，连接方式可以分为级连和星型连接两种方式，如图3、图4。从经济性考虑，当整个网络内的交换机不超过3对时宜采用级联，超过3对时采用星型连接。电子布线网络一般采用星型连接方式，通过网线或者光纤接入到控制网络，主网和副网的光缆采用不同的光缆分配箱，如果实在无法满足条件至少使用不同的光纤熔接盒。

图3 交换机级联方式Fig.3 Switch cascading mode

图4 交换机星型连接方式Fig.4 Switch star connection

2 电子布线系统的应用

国内某精细化工装置分为多个单元，采用艾默生的Charm系统及本安型仪表，电子布线既有控制室安装，也有现场安装。

2.1 接线设计

该装置的Charm机柜既有放置在机柜间也有放置在现场，系统柜、配电柜和通讯柜均放置在机柜间。当Charm机柜放置于机柜间时，采用传统物理布线方式，即现场仪表先根据信号类型分别汇集到现场接线箱，再从现场接线箱通过多芯电缆接至机柜间内的Charm柜。当Charm机柜放置于现场时，现场仪表通过分支电缆直接接至现场Charm柜，再通过光缆接至机柜间的通讯柜，如果距离机柜室较远且现场Charm柜比较分散，可以选用现场光纤分配柜，用于在现场将机柜室来的多路光纤分配给现场Charm柜[6]。需要注意的是，危险区放置的现场机柜都需认证。考虑到环境问题，对于裸露在空旷处的机柜，加装防雨棚等保护，既避免阳光直射，也使雨水天气时维护上更加便利。接线示意图如图5。

图5 接线示意图Fig.5 Wiring diagram

2.2 供电设计

电子布线技术首先需满足SH/T 3082-2019《石油化工仪表供电设计规范》，既可以采用双路冗余的220VAC UPS电源，又可以采用24VDC冗余电源，但是两路供电电源必须相互独立，并在电源的输入端和输出端设置隔离装置。机柜间配电柜PDP给机柜间的设备供电[7]。建议现场机柜距离机柜室200m内且现场机柜少时，通过机柜间配电柜PDP柜直接给现场Charm机柜供电，如图6。现场机柜距离机柜室200m以上时，在现场设置220VAC电源分配箱给现场Charm机柜和24VDC电源柜供电，如图7。现场电源分配箱根据电压的不同分为220VAC电源分配箱和24VDC电源分配箱，现场至少需要设置2个同种电压等级的现场电源分配箱，同一现场机柜的2路冗余电源应分别从2个不同的现场电源分配箱引线[8]。机柜内的照明、散热和加热等供电采用市电，与系统和现场表的供电分开设置。现场电源分配箱的防爆等级和防护等级要求和卡件柜一致。

图6 PDP柜直接给现场机柜供电图Fig.6 PDP Cabinet directly supplying power to the on-site cabinet

图7 通过现场分配箱给现场机柜供电图Fig.7 Diagram of supplying power to the field cabinet through the field distribution box

2.3 接地设计

电子布线接地首先需满足SH/T3081-2019《石油化工仪表接地设计规范》，仪表系统设置工作接地、保护接地和屏蔽接地3个接地汇流排；工作接地和屏蔽接地接入工作地汇流排，保护接地接入保护接地汇流排，此保护接地仪表专用[9]。机柜放置于机柜间内时，机柜间外设置仪表专用接地井，用于与全厂等电位接地网络连接，需要特别注意的是仪表专用接地极与仪表总接地连线不能与建筑防雷下引线直接连接。机柜放置于现场时，在地面上设置仪表接地箱，仪表接地箱内安装工作接地汇流排和保护接地汇流排，然后接至仪表专用接地箱内，仪表专用接地极与仪表接地箱间连线要求与大地绝缘[10]。接地电缆选用多芯铜质电缆，现场的接地汇流排到仪表专用汇流排的电缆选用120mm2黄绿色接地线；电子布线现场机柜、现场220VAC电源分配箱、现场24VDC电源分配箱到现场工作接地汇流排选用50mm2绿色接地线，到保护接地汇流排之间的接地选用50mm2黄绿色接地线。

2.4 应用效果

该装置一次开车成功并平稳运行，电子布线技术得以成功应用。在项目实施过程中的优点是：首先项目周期短，使用特性化集成模块，先软件组态再硬件组态，组态可以和设计同步进行；机柜数量、接线、桥架变少，缩短了设计和施工工期；现场变更不用再找备用接线端子，直接加卡件即可，接线方便。其次总投资降低，设计施工周期短，人工费用降低，由于现场机柜的设置，大大减少了主电缆的投资，主桥架大量减少，降低主管廊土建投资。最后，后期维护量减少，由于采用了大量的本安电子布线，减少了外配安全栅的需求，中间环节的节省减少了故障点，简化了后期维护的工作量。

3 结束语

电子布线技术在项目建设阶段由于IO变更的灵活性，避免了IO的变更带来的额外成本，保证了项目的快速执行，减少了项目执行的成本，使专业自动化技术人员从低端的线缆工程、回路调试、仪表组态等工作负荷中解放出来。在项目开车后的实际运行中，卡件的故障率低，稳定性好，易于扩展，便于技术改造。但长期放置在现场的机柜，由于常年暴露在风吹日晒的环境中，不利于其使用寿命，而且检修受天气变化影响较大。基于此，建议有条件地可将现场机柜放置在小屋内，至少安装在阴凉处并做好防晒；针对温度受限环境可以考虑增设加热器或冷却器来保证柜内电子元器件的使用温度。