DCS設計躍進 - 電子錯線

前言

電子錯線方法是全新的監控技術，與既有監控架構有截然不同的面貌，對系統規劃彈性、軟體規劃效率方面皆有大幅的改善。因現場拉配線方法與目前方式比較，線槽使用需求減少，也減少線槽施工落後造成之影響，所以對於降低現場施工成本及建廠時程控管均有助益。相信未來此技術發展成熟，將會是監控系統的新里程碑。

控制系統的IO發展歷史

回顧程控系統發展至今將近35年來，現場設備連接到自動化系統的方式都採用傳統的電纜佈線方式。現場人員將現場設備經接線箱(Junction Box)後，透過多蕊電纜連接到錯線盤再連結到控制盤內的相對應IO卡上(如 圖一)。

圖一、傳統佈線的方式（圖文來源：Emerson White Paper 2012）

經過繁瑣的交叉佈線工作，設備才會連接到相對應的IO卡片，雖然這是慣例，卻也會產生各種非預期的問題。由於監控工程總是在建廠階段的最後一棒，使參與該專案的人員-現場施工人員、系統廠商、監控工程師均備感壓力。例如，在交叉佈線中，可能人為錯誤導致接線錯誤或配線遺漏，會導致查線工作更加複雜、困難。經迴路測試完成後，系統才可上線自動運轉。如系統建構及功能測試過程中或完成後，如有IO變更情況時，將會帶來後續繁瑣的現場配線及軟體規劃重複工作。

IO變更帶來的問題

在當今程控系統工程中，面臨最大的挑戰之一是IO需求變更。 IO變更意味著眾多設計文件修改、控制系統重新分配、配接線變動、添加新機櫃和許多相關連工作。這些變化會增加支出成本及時間，最重要的是會產生風險，甚至影響生產製程。如為傳統佈線做法只會使問題複雜化。以下來分析可預期的一些問題。

監控工程往往會有不可避免的IO變更需求。當設計變動或新增時，例如壓力開關可能變更壓力傳送器，因此DI需更改為AI、或者設備擴充需要增加許多IO，這些都必須依系統既設條件進行規劃。這些動作都需要花費時間去設計和重新佈線。當系統IO容量不足時，則必須擴充IO卡而增加更多成本。如控制器無法新增IO卡時，就必須再擴增新控制器。再則如有製程連鎖控制相關之IO擴增時，必須調整既設系統之IO規劃，此會增加更多成本及系統風險。

更好的解決方法─電子佈線技術

電子佈線技術 圖二是將現場設備與自動化控制系統間之連接透由系統軟體規劃方法來達成需求IO配置(IO On Demand)，並非經由傳統佈線方式。

圖二、IO On Demand（圖文來源：Emerson White Paper 2012）

電子佈線技術主要是提供了獨特的技術價值，它可以協助解決過去所面臨的一些難題。因為它可以取代錯線盤(Marshalling Cabinet)的設計，亦可分佈到現場設備端(Locate on Field)。所有與交叉佈線相關的設計及現場工作都可以省略，這是因為在任何系統建構階段，每個單獨的IO監控點都將經由電子佈線技術直接分配至系統中的任意控制器中，而勿須任何錯線工作。這對後期IO位置或類別的變更，不需要調整到任何機櫃及佈線變更。新增IO監控點時，儘管安裝區域不同，亦通過電子佈線技術分配到相同屬性設備的控制器中，並不用重新規劃IO位置或透過不同控制器來達成製程連鎖需求功能 圖三。

圖三、Electronic Marshalling（圖文來源：Emerson White Paper 2012）

電子佈線主要組成

圖四目前程控系統發展的電子佈線設計理念，是包含既有任何型式的IO信號模組 圖五(AI、AO、DI、DO、RTD…)，而非針對特定型式的IO。其IO模組是包含A/D轉換及HART通訊的傳送元件，就如同現在使用IO卡上的單一IO Channel。使用電子佈線技術後，現場佈線將更加容易，因為電纜可接到IO模組盤內任一接線端子，無需考慮IO的特定順序或型式。所以，如果有下列信號要連接：AI、AI、DI、DO、AO、DI、DO，直接在背板上插入相對應之IO模組即可，不須特殊接線規劃設計。

圖四、CHARMs與電子佈線背板（其中IO模組可任意更換）（圖文來源：Emerson White Paper 2012）

圖五、電子佈線之IO模組（圖文來源：Emerson White Paper 2012）

電子佈線之IO模組安裝後，IO可透過電子佈線分配到系統中任意控制器內。其電子錯線盤的功能是完全等同於傳統的電纜佈線方式。如將電子錯線盤設計安裝於靠近設備端位置，如同以往之接線箱(Junction Box)，可省下大量的現場佈線、錯線盤的配置及降低繁瑣之錯線工作，並且顯著的增加靈活性及降低變更的複雜程度。

其IO模組設計是安裝在電子佈線背板上，僅需輕輕按一下即可安裝，並確保其安裝牢固性，且不需任何工具來拆裝，減少線場繁瑣之鎖螺絲工作 圖六。

圖六、現場錯線及安裝簡化（圖文來源：Emerson White Paper 2012）

電子佈線背板安裝在標準通用之DIN軌道上，電子佈線IO模組通過背板內部的通訊線路將信號連接到Redundancy電子佈線IO卡(CIOC)來收集現場設備的訊息，電子佈線IO卡與控制器可選擇使用光纖或具有遮蔽層之乙太網路雙絞線(CAT5e STP)為通訊媒介，並傳送到指定的控制器 圖七。

圖七、電子佈線IO卡(CIOC)之通訊方式（圖文來源：Emerson White Paper 2012）

總結說明

綜觀以上論述，使用電子佈線技術可於系統建置時之設計、施工、變更管理及成本帶來一些益處，以下就系統及現場施工面說明。

系統面

• 可取消錯線盤設計及相關佈、配線設計工作
• 指定任意IO至任意控制器，將使系統規劃更具彈性。
• 可使用光纖作為通訊媒介杜絕各種雜訊對控制系統的干擾
• 簡化因工程變更或擴充時系統所有規劃工作之複雜與困難度。
• 改善目前因受IO卡槽位限制而控制器使用率較低之狀況，將可大幅提高控制器的使用率，進而減少控制器設計數量。

現場施工面

• 減少繁瑣的錯線盤佈、配線及結線工作
• 如採IO盤設計於現場端時，將減少線場設備及儀表之拉配線工作、監控線槽數量減少及縮小監控線槽尺寸。將可大幅減少現場施工時間。
• 簡化因工程變更或擴充時所有現場拉、配線及結線工作之複雜與困難度，進而減少變更工時及有效降低對工程進度之影響。
• 可因上述原因降低監控系統建置及現場施工總成本。

IO盤如能安裝於現場設備端，透過網路通訊方式將所有設備及儀表狀態傳回系統時，則現場設備至系統盤間之拉配線人工及線槽大小可大幅減少進而減少線場施工費用。