1、影響安全柵柜設(shè)計(jì)的因素
在工程項(xiàng)目中，安全柵柜需和DCS系統(tǒng)一起統(tǒng)籌規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)，要想設(shè)計(jì)出布局合理的安全柵柜，需要考慮以下幾個(gè)主要因素。
①機(jī)柜規(guī)格
機(jī)柜規(guī)格決定了機(jī)柜內(nèi)的可用空間，影響項(xiàng)目所需機(jī)柜的數(shù)量，而機(jī)柜的數(shù)量決定了機(jī)柜間的面積，因此工程中會(huì)對(duì)項(xiàng)目選用的機(jī)柜規(guī)格做出明確的規(guī)定。目前石油化工行業(yè)普遍采用的是2100mm(高)×800 mm(寬)×800 mm(深)(包括底座)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，機(jī)柜前后單開(kāi)門。下文中機(jī)柜容量均按該規(guī)格進(jìn)行計(jì)算。
②安全柵
安全柵的外型尺寸、供電方式、安裝方式是設(shè)計(jì)安全柵柜時(shí)需重點(diǎn)考慮的幾個(gè)方面：外型尺寸決定了機(jī)柜中能安裝安全柵的數(shù)量；供電方式影響安全柵柜內(nèi)布置24VDC供電端子的數(shù)量；安裝方式影響安全柵柜的布局思路。目前石化行業(yè)工程中最常用的安全柵品牌有MTL和P+F，具體產(chǎn)品有：DIN導(dǎo)軌安裝的MTL5000、MTL5500(可選菊花鏈供電方式)和KF、KC(軌道供電)系列；國(guó)內(nèi)化工及電力等行業(yè)常用安全柵和信號(hào)隔離器品牌有上海辰竹、南京優(yōu)倍、昌暉儀表YR9000、北京平和創(chuàng)業(yè)、蘇州迅鵬、南京帕羅肯、維盛新儀、鄭州穩(wěn)鈦克等諸多廠家產(chǎn)品，本文主要以進(jìn)口安全柵舉例。底板安裝型(底板供電)的MTL4000、MTL4500及HiD、HiC(缺少溫度信號(hào)產(chǎn)品)系列；厚度約為15.8-20 mm(HIC厚度為12.5mm)。除去供電端子排等必需設(shè)備占用的空間，每個(gè)機(jī)柜約有1500mm的安全柵布置空間，如按正反面各安裝兩列安全柵計(jì)算，每個(gè)機(jī)柜可安裝250-300個(gè)安全柵。項(xiàng)目前期時(shí)可根據(jù)項(xiàng)目中熱電偶(阻)輸入柵、模擬量輸入柵、模擬量輸出柵的數(shù)量，按照每個(gè)機(jī)柜安裝200-250個(gè)安全柵的能力來(lái)估算安全柵柜的數(shù)量。和DIN導(dǎo)軌安裝的安全柵相比，底板安裝的安全柵可以直接插接在端子板上(支持熱插拔)，且端子板可通過(guò)預(yù)先裝配的系統(tǒng)電纜直接和DCS卡件連接，能大大減少安裝和接線的工程量，縮減開(kāi)車時(shí)間，并可節(jié)約30%左右的機(jī)柜空間。
目前底板安全柵無(wú)法完全取代導(dǎo)軌安全柵的主要原因有：
a、廠家少，目前只有MTL有完整的產(chǎn)品系列，P+F的HiD、HiC缺少溫度信號(hào)產(chǎn)品，存在獨(dú)家招標(biāo)問(wèn)題，無(wú)法滿足招標(biāo)法的要求；
b、目前沒(méi)有和國(guó)內(nèi)DCS系統(tǒng)相配套的端子板，當(dāng)選用國(guó)內(nèi)DCS系統(tǒng)時(shí)優(yōu)勢(shì)不明顯。
③24VDC直流電源
目前工程中多采用通過(guò)安全柵給現(xiàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)儀表供電，根據(jù)《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，24VDC直流穩(wěn)壓電源可按1:1冗余和N:1冗余配置。按1:1冗余原則設(shè)計(jì)安全柵柜供電時(shí)，通常是在每個(gè)安全柵柜內(nèi)設(shè)置兩塊24VDC直流穩(wěn)壓電源以及一塊負(fù)載平衡模塊，配置成1:1冗余直流穩(wěn)壓電源供電模塊。因該方案中各電源僅負(fù)責(zé)本柜內(nèi)用電設(shè)備的供電，功能明確，不存在跨柜供電問(wèn)題，同時(shí)因該方案中選用的電源產(chǎn)品性能一般，價(jià)格低，DCS系統(tǒng)集成商多選用該配置方案，該類電源品牌主要有Siemens、Pheonix、臺(tái)灣明緯等。
按N:1冗余原則設(shè)計(jì)安全柵柜供電時(shí)，通常是將N+1冗余直流穩(wěn)壓電源模塊集中布置在一面安全柵柜中(電源模塊多時(shí)也可設(shè)置獨(dú)立的24VDC電源柜)，負(fù)責(zé)給DCS系統(tǒng)內(nèi)所有現(xiàn)場(chǎng)24VDC儀表供電。該方案中選用的電源模塊內(nèi)部設(shè)有運(yùn)行保護(hù)電路(內(nèi)藏解耦二極管)和負(fù)載平衡功能，電源模塊可在線更換或擴(kuò)展，性能可靠；該類電源品牌有P+F、Moore等，但因該類電源產(chǎn)品價(jià)格較高，DCS系統(tǒng)集成商不會(huì)主動(dòng)選用該方案。
④DCS卡件形式
DCS系統(tǒng)既有端子板卡件，也有連接型卡件。近年來(lái)，因端子板卡件存在允許的電纜外徑較小、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)，而連接型卡件的端子板可和安全柵柜同柜安裝，且自端子板至卡件可采用專用電纜，可有效的減少接線工程量，降低工程成本，因此得到較多的工程應(yīng)用。
⑤其它因素
除了以上因素外，還有一些因素影響安全柵柜的設(shè)計(jì)，主要有以下兩點(diǎn)：
a、是否設(shè)置一次端子。這主要和項(xiàng)目總體要求及用戶習(xí)慣及有關(guān)，規(guī)范沒(méi)有強(qiáng)制要求。一次端子大多布置在安全柵柜的側(cè)面，個(gè)別項(xiàng)目也獨(dú)立設(shè)置端子柜。
b、是否設(shè)置浪涌保護(hù)器。這主要根據(jù)當(dāng)?shù)啬昶骄妆┨鞌?shù)來(lái)確定。如需要一般是和安全柵同柜布置(左右或前后相鄰，并一一對(duì)應(yīng))，便于接線。
2、合理的安全柵柜設(shè)計(jì)模式
根據(jù)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐，圖1所示的設(shè)計(jì)模式符合大部分人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣：
圖1 安全柵柜設(shè)計(jì)模式
下面對(duì)該設(shè)計(jì)模式進(jìn)行介紹。
①整理I/O清單
接到I/O清單后，要先了解本項(xiàng)目工藝裝置有那幾個(gè)單元組成、各單元I/O數(shù)量，然后對(duì)I/O清單進(jìn)行整理，根據(jù)項(xiàng)目DCS卡件的類型對(duì)I/O信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分類。常見(jiàn)的I/O類型分類見(jiàn)表1。
表1 常見(jiàn)的I/O類型
信號(hào)類型 描述
AI(S) 2-Wire 兩線制模擬量輸入，系統(tǒng)為儀表供電
AI(S) 4-Wire 四線制模擬量輸入，儀表需外供電
AI(R) 2-Wire 兩線制模擬量輸入，系統(tǒng)為儀表供電，系統(tǒng)卡件為冗余配置
AI(R) 4-Wire 四線制模擬量輸入，儀表需外供電，系統(tǒng)卡件為冗余配置
AO(R) 兩線制模擬量輸出，系統(tǒng)為儀表供電，系統(tǒng)卡件為冗余配置
DI 離散量輸入
DI(R) 離散量輸入，系統(tǒng)卡件為冗余配置
DO 離散量輸出 DO(R) 離散量輸出，系統(tǒng)卡件為冗余配置
T/C 熱電偶信號(hào)輸入(注：僅個(gè)別DCS系統(tǒng)支持冗余配置)
RTD 熱電阻信號(hào)輸入
PI 脈沖信號(hào)輸入
RS485 通訊信號(hào)
②分配控制器
熟悉完I/O清單后，設(shè)計(jì)人員要先核實(shí)技術(shù)協(xié)議中控制器的數(shù)量是否滿足項(xiàng)目當(dāng)前的需求，如無(wú)問(wèn)題就可根據(jù)控制器性能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)分配控制器，分配時(shí)應(yīng)盡量保證各控制器負(fù)荷均衡。工程中最常用的是根據(jù)工藝單元對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)分配控制器，通過(guò)對(duì)各單元I/O數(shù)量進(jìn)行組合，兼顧控制回路的數(shù)量以及工藝操作崗位緊密程度。該分配方式容易掌握，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性； I/O清單一旦確定就可開(kāi)始DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，有利于節(jié)省項(xiàng)目的建設(shè)周期。分配中要避免將一個(gè)控制回路的信號(hào)分配到不同的控制器中，各DCS系統(tǒng)均不推薦這種分配方式。
③分配I/O通道
完成控制器分配后，接下來(lái)要對(duì)控制器內(nèi)各卡件的I/O通道進(jìn)行分配。根據(jù)DCS系統(tǒng)卡件類型，按照前面細(xì)分過(guò)I/O類型的信號(hào)清單，逐類按卡件依次分配通道，分配時(shí)可以在每塊卡件中備用1-2個(gè)通道，也可整卡備用；要避免將不同類型的信號(hào)分配到同一塊卡件中，否則會(huì)對(duì)后期的接線圖的設(shè)計(jì)、機(jī)柜集成產(chǎn)生不利的影響。
個(gè)別項(xiàng)目也會(huì)按現(xiàn)場(chǎng)多芯電纜內(nèi)信號(hào)來(lái)分配卡件，以避免出現(xiàn)一根多芯電纜內(nèi)信號(hào)接至多面安全柵柜的情況。但該方案會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：安全柵柜及DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須等接線箱分配完成后才能開(kāi)展，影響工期；因接線箱必須嚴(yán)格按照表1的信號(hào)類型進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)難度增大，接線箱用量增多，分支電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，不便于施工；受儀表實(shí)際位置影響，常出現(xiàn)將一個(gè)控制回路信號(hào)分別排布在不同控制器情況。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，該分配方案不合理，項(xiàng)目實(shí)施中問(wèn)題較多，應(yīng)避免采用。
④規(guī)劃安全柵柜布局
以上工作完成后，就可以著手規(guī)劃安全柵柜的具體布局了。受DCS系統(tǒng)卡件類型的限制，工程中多采用按安全柵類型分別設(shè)置安全柵柜方案(如個(gè)別項(xiàng)目安全柵數(shù)量較少可正、反面乃至按列集中排布)，很少采用混合排布方案。按安全柵類型集中排布將有助于機(jī)柜集成及后期維護(hù)。
確定好每個(gè)安全柵柜的功能后，就可以根據(jù)安全柵安裝方案、電源配置方案來(lái)規(guī)劃每個(gè)安全柵柜內(nèi)的具體布局了。正常情況下，安全柵柜上方一般布置220VAC斷路器及24VDC直流穩(wěn)壓電源和供電端子排，下方排布安全柵。安全柵可按DCS卡件I/O通道的信號(hào)進(jìn)行排布，二者一一對(duì)應(yīng)；當(dāng)端子板和安全柵同柜布置時(shí)，可以分布在機(jī)柜的兩面，方便二者之間的接線。此外，工程中安全柵、端子、DCS I/O通道會(huì)按一定的比例設(shè)置備用量，這些設(shè)備應(yīng)按備用安全柵(端子)、備用I/O通道一一對(duì)應(yīng)的原則進(jìn)行排布，方便后期變更。圖2、圖3為工程中常用的兩種安全柵柜布置方案，供大家參考。
圖2 導(dǎo)軌型安全柵柜布置
圖3 底板型安全柵柜布置(左圖為安全柵柜正面，安裝底板安全柵；右圖為安全柵柜背面，安裝端子或浪涌保護(hù)器)
⑤繪制安全柵柜布置圖和接線圖
當(dāng)安全柵柜內(nèi)布局規(guī)劃完畢并經(jīng)用戶及設(shè)計(jì)院確認(rèn)后，就可以繪制安全柵柜布置圖和接線圖交給工廠進(jìn)行機(jī)柜集成了，機(jī)柜集成中如有問(wèn)題可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)圖紙進(jìn)行局部修改。
通過(guò)洛陽(yáng)石化、湛江東興石化、呼和浩特石化公司等多個(gè)工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)，昌暉儀表分享的安全柵柜設(shè)計(jì)模式具有相當(dāng)?shù)暮侠硇裕梢杂行У臏p少因機(jī)柜布局不合理引起的各種問(wèn)題，規(guī)范項(xiàng)目中各DCS系統(tǒng)集成商安全柵柜設(shè)計(jì)模式，提高工作效率，保證了項(xiàng)目安全柵柜的整體設(shè)計(jì)水平。該模式對(duì)設(shè)計(jì)儀表同行具有一定的借鑒意義，能在一定程度上提高安全柵柜的設(shè)計(jì)水平。
作者：司利剛
