CHARM 控制系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

史辰星

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 引言

在進(jìn)行化工裝置設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要盡早確定控制系統(tǒng)方案，這對(duì)化工裝置自控設(shè)計(jì)有著重要的意義與作用。現(xiàn)階段，許多化工裝置采用傳統(tǒng)的DCS 自控系統(tǒng)，而近年來(lái)興起的CHARM（電子布線(xiàn)）系統(tǒng)與傳統(tǒng)的自控DCS 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)流程上存在些許異同，對(duì)設(shè)計(jì)工作者的設(shè)計(jì)思路也有相應(yīng)的要求。化工設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)綜合考量多方因素，最終確定合理有效的控制方案。

2 DCS 概述及特點(diǎn)

2.1 DCS 概述

集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）是建立在微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上，將分散型控制裝置、通信系統(tǒng)、集中操作與信息管理系統(tǒng)有機(jī)統(tǒng)一的新型控制系統(tǒng)[1]。

2.2 DCS 的特點(diǎn)

DCS 具有以下特點(diǎn)：

1）功能分散。現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程控制單元可以有效而長(zhǎng)期、不需人為干預(yù)地自動(dòng)進(jìn)行對(duì)過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)、運(yùn)算處理、實(shí)施控制策略及進(jìn)行信息輸出、對(duì)已有過(guò)程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效控制。

2）信息綜合與集中管理。在全系統(tǒng)層面，實(shí)現(xiàn)信息綜合與集中管理，其目的是高水平發(fā)揮單元體系的功能。

3）局域網(wǎng)通信技術(shù)。如今，在眾多化工裝置中，工業(yè)局域網(wǎng)通信方式得到廣泛運(yùn)用，并且出于安全性的考慮，大多情況下采用光纖通信方式。

4）高可靠性。因冗余容錯(cuò)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)可將單元發(fā)生故障的影響控制在局部，而自診斷、報(bào)警、自修復(fù)等功能的存在，使得系統(tǒng)可靠性大幅提高。

5）構(gòu)成靈活與擴(kuò)展方便。大中小系統(tǒng)均可由標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊、I/O 卡件和接插件靈活地通過(guò)系統(tǒng)選型構(gòu)成。

6）采用面向過(guò)程的語(yǔ)言。DCS 一般采用面向過(guò)程的語(yǔ)言，使用人員只需在已有的功能塊中選擇合適的模塊，輸入所需參數(shù)就能調(diào)用控制器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)需求。

2.3 DCS 的基本組成

DCS 系統(tǒng)的基本組成包括：

控制器、操作員站、工程師站、服務(wù)器及其他功能站、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、高級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)。

3 CHARM 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

本文以艾默生系統(tǒng)為例，對(duì)CHARM 系統(tǒng)在某項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明。

電子布線(xiàn)技術(shù)的主要特點(diǎn)為：（1）后期變更可快速實(shí)現(xiàn)；（2）簡(jiǎn)化回路及儀表調(diào)試量；（3）無(wú)機(jī)柜錯(cuò)線(xiàn)，減少接線(xiàn)量；（4）線(xiàn)纜敷設(shè)量降低數(shù)量級(jí)，安裝速度大幅提升。

CHARM 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從系統(tǒng)上主要分為以下4 個(gè)模塊。

3.1 信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CHARM 柜主要有以下兩種型號(hào)：

48 點(diǎn)（910 mm 寬×1 070 mm 高×325 mm 深）和96 點(diǎn)（915 mm 寬×1 220 mm 高×475 mm 深）兩種型號(hào)，對(duì)應(yīng)的最大輸入輸出通道數(shù)量分別為48 和96。現(xiàn)場(chǎng)CHARM 柜采用220V 交流供電，使用一對(duì)5A（48 點(diǎn)）或10A（96 點(diǎn)）電源模塊用于CHARM 和光電轉(zhuǎn)換器供電。現(xiàn)場(chǎng)CHARM 柜采用底部進(jìn)線(xiàn)的方式，機(jī)柜底部安裝有可拆卸式格蘭板。電纜通過(guò)格蘭板上的格蘭固定。格蘭板開(kāi)孔根據(jù)項(xiàng)目具體要求在確定具體進(jìn)線(xiàn)情況后完成開(kāi)孔。

CHARM 機(jī)柜用于現(xiàn)場(chǎng)儀表的接線(xiàn)，48 點(diǎn)的柜子通常接40 個(gè)儀表點(diǎn)，96 點(diǎn)的柜子通常接85～90 點(diǎn)，無(wú)須區(qū)分?jǐn)?shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)，但需區(qū)分本安與非本安信號(hào)，具體原則如下：（1）盡量將本安信號(hào)與非本安信號(hào)分至不同的CHARM 柜；（2）若無(wú)法做到按照機(jī)柜將本安與非本安信號(hào)分開(kāi)，可按照靠近控制器側(cè)為本安信號(hào)的原則混合配置IO 點(diǎn)。

需將所有遠(yuǎn)傳儀表點(diǎn)單拉接至CHARM 柜的端子即可。

48 點(diǎn)I/O 現(xiàn)場(chǎng)CHARM 柜含1 對(duì)5A 冗余電源，1 個(gè)冗余光電轉(zhuǎn)換器，一組包含4 個(gè)baseplate 底板的CHARM 及呼吸閥。

96 點(diǎn)I/O 現(xiàn)場(chǎng)CHARM 柜含1 對(duì)10A 冗余電源，1 個(gè)冗余光電轉(zhuǎn)換器，一組包含8 個(gè)baseplate 底板的CHARM 及呼吸閥。

本文以96 點(diǎn)CHARM 柜為例，闡述CHARM 系統(tǒng)的接線(xiàn)設(shè)計(jì)。

因CHARM 系統(tǒng)的1 個(gè)控制器最多只能帶6 面機(jī)柜即576 個(gè)儀表點(diǎn)，當(dāng)化工裝置的體量較小（遠(yuǎn)傳儀表點(diǎn)總數(shù)小于576 點(diǎn)）時(shí)，可參照傳統(tǒng)DCS 的接線(xiàn)方式，采用“分類(lèi)型就近接線(xiàn)”原則進(jìn)行接線(xiàn)設(shè)計(jì)。但當(dāng)進(jìn)行儀表點(diǎn)數(shù)高于576 個(gè)的裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需要提前分控制器，具體原則如下：

1）將參與聯(lián)鎖的儀表點(diǎn)接至同一控制器下所對(duì)應(yīng)的6 面CHARM 柜中。若裝置遠(yuǎn)傳儀表過(guò)多，則可根據(jù)反應(yīng)線(xiàn)等要素進(jìn)一步劃分。

2）有特殊要求的聯(lián)鎖的儀表點(diǎn)應(yīng)分布在同一控制器下不同的CHARM 柜或者同一CHARM 柜的不同底板上。

3）所有開(kāi)關(guān)閥門(mén)的電磁閥及閥位回訊因盡可能排布在相同CHARM 柜的同一底板上。

4）所有控制（調(diào)節(jié)）回路所對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)傳儀表應(yīng)盡可能接至同一CHARM 柜或相同的控制器所對(duì)應(yīng)的CHARM 柜中。

5）參與聯(lián)鎖的電氣DI/DO 信號(hào)，排卡時(shí)需放入同一CHARM柜內(nèi)。

由此可見(jiàn)，在進(jìn)行CHARM 系統(tǒng)接線(xiàn)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先對(duì)IO 進(jìn)行梳理，獲得需要進(jìn)行“特殊處理”的儀表清單，從而提高設(shè)計(jì)效率，避免后期因控制器無(wú)法準(zhǔn)確調(diào)用CHARM 柜所接儀表而造成設(shè)計(jì)返工。

在完成電纜接線(xiàn)之后，應(yīng)根據(jù)接線(xiàn)數(shù)量，向系統(tǒng)廠家提供格蘭板開(kāi)孔條件，以便系統(tǒng)廠家進(jìn)行后續(xù)排卡設(shè)計(jì)。

3.2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖分配柜的主要作用為：將控制室來(lái)的多路光纖分配給現(xiàn)場(chǎng)CHARM 柜。

光纖分配柜的尺寸：寬×高×深=910 mm×1 070 mm×325 mm，其輸入光纜為1 根48 芯光纜或者2 根24 芯光纜，輸出光纜為24 根4 芯光纜，中間用跳線(xiàn)連接。

現(xiàn)場(chǎng)每面CHARM 柜均需通過(guò)2 根4 芯光纖分別接至光纖分配柜（主網(wǎng)）與光纖分配柜（副網(wǎng)）上；控制室到光纖箱的冗余光纖規(guī)格為48 芯，且需通過(guò)不同的槽盒敷設(shè)。

3.3 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)接地方法為：機(jī)柜在機(jī)柜間接地，儀表在現(xiàn)場(chǎng)接地；相較于傳統(tǒng)方式，CHARM 系統(tǒng)將機(jī)柜與儀表的接地均移至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

接地箱分為保護(hù)接地箱和工作接地箱，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)CHARM 柜、直流電源柜的接地。接地箱的尺寸通常有以下兩種規(guī)格：

1）19 孔：寬×高×深=610 mm×370 mm×200 mm；

2）31 孔：寬×高×深=800 mm×560 mm×200 mm。

接地方案為：每個(gè)CHARM 柜、直流電源柜引出保護(hù)地和工作地（交流電源柜為保護(hù)地與屏蔽地），分別接至工作與保護(hù)接地箱。屏蔽地與工作地在柜內(nèi)短接。

同時(shí)，應(yīng)向電氣專(zhuān)業(yè)提出總接地箱（接地扁鐵）的位置。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)機(jī)柜的數(shù)量及其在不同樓層的排布，合理地設(shè)計(jì)放置工作接地箱與保護(hù)接地箱。

3.4 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)DCS 在機(jī)柜間進(jìn)行配電工作；而CHARM 系統(tǒng)將配電工作由機(jī)柜間移至現(xiàn)場(chǎng)。

直流電源柜主要是給現(xiàn)場(chǎng)的CHARM 機(jī)柜及四線(xiàn)制儀表供電，減少與機(jī)柜間往來(lái)電纜數(shù)量，進(jìn)而達(dá)到方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的目的，其尺寸如下：交流電源柜的尺寸為寬×高×深=700 mm×800 mm×415 mm。機(jī)柜包含一個(gè)總開(kāi)關(guān)，15 個(gè)分開(kāi)關(guān)，總開(kāi)關(guān)帶2 個(gè)指示燈，一個(gè)用于指示輸入電源，一個(gè)用于指示總開(kāi)關(guān)合閘。開(kāi)關(guān)采用外置旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的形式，實(shí)現(xiàn)不開(kāi)箱操作，總電流63A，支路電流最大16A。操作面外部加裝一個(gè)防護(hù)罩用于保持操作面板的清潔。現(xiàn)場(chǎng)CHARM 柜與直流電源柜均需通過(guò)2 根供電電纜分別接至一對(duì)交流電源柜，且每面交流電源柜可接15 個(gè)點(diǎn)左右。

直流電源柜的尺寸為寬×高×深=915 mm×1 220 mm×475 mm，用于現(xiàn)場(chǎng)24 V 直流四線(xiàn)制儀表的供電（電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等），一共40 個(gè)端子，通常接35 個(gè)左右。

因CHARM 系統(tǒng)所需的機(jī)柜占地尺寸較大，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在IO 點(diǎn)數(shù)量確定之后，與管道專(zhuān)業(yè)溝通，提前規(guī)劃項(xiàng)目所需的現(xiàn)場(chǎng)CHARM 柜、交流電源柜、直流電源柜、接地箱、通信箱在裝置內(nèi)預(yù)留位置，同時(shí)應(yīng)考慮機(jī)柜散熱需要，避免太陽(yáng)對(duì)機(jī)柜的直射。CHARM 柜因尺寸較大原因，盡量避免背靠背排布，以免過(guò)多占用空間，影響檢修的進(jìn)行。

另外，在CHARM 系統(tǒng)中，為了滿(mǎn)足微正壓及防爆要求，滿(mǎn)足吹掃系統(tǒng)每小時(shí)耗氣2 m3/h（96 點(diǎn)機(jī)柜）的需要，所有的CHARM 柜（電氣、儀表）、直流電源柜均需提供儀表氣源，需根據(jù)廠家返回資料進(jìn)行設(shè)計(jì)，建議采用卡套式直通螺紋終端接頭PN63 FTφ10 mm-3/8NPT 配φ10 mm×1 的不銹鋼管進(jìn)行氣源設(shè)計(jì)。

4 CHARM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

綜上所述，可見(jiàn)CHARM 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中需要注意的“特殊”之處在于：

1）CHARM 系統(tǒng)因其一個(gè)控制器只能帶6 面CHARM 柜的特殊性，在設(shè)計(jì)大型裝置時(shí)，應(yīng)提前規(guī)劃接線(xiàn)方案，避免后期因控制器無(wú)法調(diào)用所需儀表信號(hào)而造成設(shè)計(jì)返工。

2）因CHARM 系統(tǒng)所需的機(jī)柜、功能箱占地面積較大，需在項(xiàng)目開(kāi)始后盡快向管道專(zhuān)業(yè)提供其在裝置內(nèi)的位置，避免因后期位置調(diào)整造成設(shè)計(jì)返工，從而影響設(shè)計(jì)進(jìn)度與質(zhì)量。

3）CHARM 系統(tǒng)因其主要接線(xiàn)工作為現(xiàn)場(chǎng)儀表接至儀表CHARM 柜，CHARM 柜至控制室采用光纜連接，故其進(jìn)出裝置橋架的規(guī)格和電纜的數(shù)量相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有著大幅度減少，方便了外管廊橋架的規(guī)劃，減少了施工現(xiàn)場(chǎng)外管廊橋架與管道碰撞的可能性，最終節(jié)約了大量成本。

4）CHARM 系統(tǒng)需要滿(mǎn)足正壓防爆要求及吹掃需要，需對(duì)CHARM 柜（電氣、儀表）、直流電源柜進(jìn)行供氣設(shè)計(jì)。

5）因CHARM 系統(tǒng)的特殊性，每面CHARM 柜需要同時(shí)需要接儀表信號(hào)與電源信號(hào)，故需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)CHARM 柜分布提前設(shè)計(jì)橋架進(jìn)機(jī)柜的路徑。

6）傳統(tǒng)DCS 系統(tǒng)的接線(xiàn)原則為根據(jù)信號(hào)類(lèi)型不同分類(lèi)就近接線(xiàn)敷設(shè)；CHARM 系統(tǒng)則是按照“控制器優(yōu)先”的原則進(jìn)行接線(xiàn)，方便了現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)箱的分配并保證了不同控制器之間互不干擾，提高了控制效率。

7）CHARM 柜無(wú)粉塵防爆認(rèn)證，因此無(wú)法在粉塵環(huán)境中使用；在氣體防爆區(qū)中，只能用于1 區(qū)/2 區(qū)，不能在0 區(qū)使用。

8）CHARM 柜現(xiàn)場(chǎng)帶電時(shí)，不能開(kāi)柜門(mén)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)DCS 進(jìn)行了介紹，同時(shí)重點(diǎn)闡述了CHARM系統(tǒng)并根據(jù)化工裝置體量的大小講述了信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、接地系統(tǒng)、供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意的事項(xiàng)，最后重點(diǎn)討論了CHARM 系統(tǒng)相較于DCS 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足，為化工設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行控制方案選擇及系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提供了理論參考。