控制系統布線解決方案是自控專業設計師需要重點考慮的問題，也是他們感到煩惱的揪心事。在自控專業的設計圖紙中，涉及到接線、布線的圖紙工作量大約要占到百分之五十。我們常常說，這一部分的工作最沒有技術含量，但又最容易出錯。說它沒有技術含量，是因為一根線接到這個端子上就是對的，比如變送器輸出的正端接到I/O卡的正端可能就對了，接到I/O卡的負端就錯了。說它容易出錯，是成百上千的端子要接線，接錯一個兩個可能性是有的，但接錯了如果到試車過程還沒有發現，小的影響是信號無法顯示，如果是電源線接錯了，則有可能造成板卡燒毀等較大的影響。
1、傳統布線工程
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。在工程設計中，一個自動化程度稍高的車間，自控專業設計所用電纜的長度超過100km是很常見的，圖1為某現場多達九層的電纜橋架。
圖1 現場電纜橋架
圖2所示為控制系統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配線柜的端子排，然后以單芯導線轉接到控制系統的I/O模件上。
圖2 控制系統傳統布線方式示意圖
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配線相互交叉，看起來雜亂無章，令安裝后的查線及日常維護都感到很麻煩(見圖3)。
圖3 傳統控制系統布線方式
在自控工程設計時，我們需繪制每一個現場接線箱、每一個配線柜、每一個I/O模件的端子接線圖。麻煩的不僅僅是設計師，還有盤柜箱生產線上的接線員、建筑安裝單位的施工人員，他們是要一根一根接線的(見圖3)。當然，工廠的管理維護人員也不會輕松，一個監測點故障的查線往往需要從源頭的檢測儀表一直查到控制系統的I/O模件。
傳統布線方式是一對一接線貫穿始終，導線、電纜、橋架需要量大，換接點多，故障隱患點多，維護工作量大。自控設計師常常想：有沒有什么辦法能讓布線方式簡單一些，能讓故障環節少一點？能讓我們圖紙工作量少一些？能讓我們從這些沒有任何技術含量的繁瑣工作中解脫出來？
2、菲尼克斯快速布線
為了簡化布線工作，最方便入手的是從控制室配線柜的端子排到控制系統的I/O模件這一段，人們在想，怎樣將出配線柜端子排的多芯電纜能方便地連接到I/O模件上，于是一種帶前適配器預制電纜的布線方式就出現了(見圖4)。預制電纜也是多芯的，但它帶編號，只要按編號順序在配線柜端子排連接來自現場設備的信號線，另一端的前適配器直接插入控制系統I/O模件的對應輸入插座上即可，取代了傳統的螺釘接線或壓接方式接線。
圖4 用帶前適配器的預制電纜代替多芯電纜的布線方式
菲尼克斯電氣公司的INTERFACE快速布線系統采用了帶前適配器預制電纜的布線方式，來自現場設備的信號線接入布線模塊輸入側，而布線模塊的孔式接頭是輸出側，通過帶前適配器預制電纜的針式插頭連接，再通過前適配器接入控制系統的I/O模件。菲尼克斯電氣公司曾為眾多DCS、PLC廠家及直接用戶提供快速布線系統(見圖5)，采用這一系統的DCS、PLC廠家和產品有：AB PLC Control Logix 1756、Micro Logix 1500、PLC-5、SLC-500；ABB S800；Emerson DeltaV；GE FANUC 90-30、90-70、RX3i；Honeywell Plant Scape等。
圖5 INTERFACE快速布線系統
3、愛默生以太網布線
一般來說，快速布線系統簡化的是控制室內配線柜與控制系統I/O模件之間的接線工作，布線的數量并未減少。而實際布線的大量工作是從現場接線箱到控制室之間的連線，其單根長度通常都是數百米，在這方面有簡化的辦法嗎？愛默生過程管理(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系統S系列產品，這一技術對傳統布線方式作了重大改進。它將控制室內配線柜與控制系統I/O模件之間的一對一接線改為通過以太網通信(見圖6)。
圖6 配線柜與控制系統I/O模件之間采用以太網通信
圖7為電子布線技術機柜布置示意圖，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[2]。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數字總線技術，所以我們看不到雜亂無章的交叉布線，也看不到類似菲尼克斯電氣INTERFACE快速布線系統的帶前適配器預制電纜。
圖7 電子布線技術示意圖
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模件為單位選擇I/O類型。I/O模件上的點數通常為8、16、32甚至64點，所以實際使用中的I/O模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。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。像機柜設計、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、橋架配置等圖紙設計工作量可完全省去或大部分省去，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。據愛默生過程管理公司對一個5500個I/O點的工程項目自控工程費用詳細計算，得到的結論是電子布線費用為609.2萬美元要比傳統布線費用668.7萬美元節省59.5萬美元，占總費用的8.9%。
③可靠性
從CHARM到DeltaV S系列控制器的所有通信都是完全冗余的，冗余CHARM I/O卡底板具有冗余通信模塊，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信底板，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靈活性
CHARM I/O卡往上可以通過以太網與4個獨立的DeltaV S系列控制器通信，而不像傳統的I/O只與1臺控制器通信，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。
④更適應工程項目的變更
電子布線技術讓工程項目的變更影響減少，大多數情況用戶只需敷設到新增現場設備的布線，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卡以后更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。
4、愛默生無線“布線”
一對一接線改為通過以太網通信，布線量減少了很多，但還是少不了以太網線。布線工作還能怎樣更簡化呢？流程行業無線通信技術用無線傳輸回答了這個問題(見圖8)。
圖8 配線柜與控制系統I/O模件之間采用無線通信
愛默生過程管理公司提供的WirelessHART無線解決方案中，有一種架構是DeltaV S系列無線I/O卡和781遠程鏈路構成網關的無線通信系統，無線I/O卡本身就是DeltaV S系列控制器的一個I/O節點，可直接掛在控制網絡上，無線I/O卡與781遠程鏈路有線連接，781遠程鏈路則和無線儀表以無線方式通信(見圖9)。
圖9 WirelessHART無線通信系統
除了必不可少的布線(如圖1中無線I/O卡與781遠程鏈路的連線)外，原來的布線傳送信息全部由無線傳輸取代，所以導線、電纜、橋架大量節省。對自控設計師來說，涉及到接線、布線的圖紙，如現場接線箱接線圖、配線柜端子接線圖、管線圖、管線敷設圖……基本都不用畫了，可以看到這會給我們省多少事，然而更重要的是整個工程項目的投資也會大幅度節省，據部分工程項目統計，采用無線通信系統后，對應部分的投資將節省3-10%。
控制系統布線解決方案不是一個無關大局的小問題，它牽涉到自控專業設計、訂貨、設備制造、安裝、使用等方方面面，也涉及工程項目投資、進度及建成后維護工作的便利性，因此，需要各方面人士對此關注和重視。
作者：方原柏
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