安全栅柜设计经验分享

在石油化工项目中，安全栅起到连接危险区现场设备与控制系统的纽带作用，安全栅柜的设计是DCS系统的一个重要环节。目前安全栅柜的设计多由DCS系统集成商来完成，但因各DCS系统集成商设计人员流动性大、人员储备不足、培训力度不够，安全栅柜的设计水平参差不齐；在图纸审查及工厂验收时常发现因设计人员思路不清晰而产生诸如机柜布局不合理、图纸错误多、柜内接线杂乱、柜间接线多等问题，因此有必要探索出一种比较合理的安全栅柜设计模式。

1、影响安全栅柜设计的因素
在工程项目中，安全栅柜需和DCS系统一起统筹规划、同步设计，要想设计出布局合理的安全栅柜，需要考虑以下几个主要因素。
①机柜规格
机柜规格决定了机柜内的可用空间，影响项目所需机柜的数量，而机柜的数量决定了机柜间的面积，因此工程中会对项目选用的机柜规格做出明确的规定。目前石油化工行业普遍采用的是2100mm(高)×800 mm(宽)×800 mm(深)(包括底座)的标准机柜，机柜前后单开门。下文中机柜容量均按该规格进行计算。

②安全栅
安全栅的外型尺寸、供电方式、安装方式是设计安全栅柜时需重点考虑的几个方面：外型尺寸决定了机柜中能安装安全栅的数量；供电方式影响安全栅柜内布置24VDC供电端子的数量；安装方式影响安全栅柜的布局思路。目前石化行业工程中最常用的安全栅品牌有MTL和P+F，具体产品有：DIN导轨安装的MTL5000、MTL5500(可选菊花链供电方式)和KF、KC(轨道供电)系列；国内化工及电力等行业常用安全栅和信号隔离器品牌有上海辰竹、南京优倍、昌晖仪表YR9000、北京平和创业、苏州迅鹏、南京帕罗肯、维盛新仪、郑州稳钛克等诸多厂家产品，本文主要以进口安全栅举例。底板安装型(底板供电)的MTL4000、MTL4500及HiD、HiC(缺少温度信号产品)系列；厚度约为15.8-20 mm(HIC厚度为12.5mm)。除去供电端子排等必需设备占用的空间，每个机柜约有1500mm的安全栅布置空间，如按正反面各安装两列安全栅计算，每个机柜可安装250-300个安全栅。项目前期时可根据项目中热电偶(阻)输入栅、模拟量输入栅、模拟量输出栅的数量，按照每个机柜安装200-250个安全栅的能力来估算安全栅柜的数量。和DIN导轨安装的安全栅相比，底板安装的安全栅可以直接插接在端子板上(支持热插拔)，且端子板可通过预先装配的系统电缆直接和DCS卡件连接，能大大减少安装和接线的工程量，缩减开车时间，并可节约30%左右的机柜空间。

目前底板安全栅无法完全取代导轨安全栅的主要原因有：
a、厂家少，目前只有MTL有完整的产品系列，P+F的HiD、HiC缺少温度信号产品，存在独家招标问题，无法满足招标法的要求；
b、目前没有和国内DCS系统相配套的端子板，当选用国内DCS系统时优势不明显。

③24VDC直流电源 
目前工程中多采用通过安全栅给现场关联仪表供电，根据《石油化工仪表供电设计规范》中相关规定，24VDC直流稳压电源可按1:1冗余和N:1冗余配置。按1:1冗余原则设计安全栅柜供电时，通常是在每个安全栅柜内设置两块24VDC直流稳压电源以及一块负载平衡模块，配置成1:1冗余直流稳压电源供电模块。因该方案中各电源仅负责本柜内用电设备的供电，功能明确，不存在跨柜供电问题，同时因该方案中选用的电源产品性能一般，价格低，DCS系统集成商多选用该配置方案，该类电源品牌主要有Siemens、Pheonix、***明纬等。 

按N:1冗余原则设计安全栅柜供电时，通常是将N+1冗余直流稳压电源模块集中布置在一面安全栅柜中(电源模块多时也可设置独立的24VDC电源柜)，负责给DCS系统内所有现场24VDC仪表供电。该方案中选用的电源模块内部设有运行保护电路(内藏解耦二极管)和负载平衡功能，电源模块可在线更换或扩展，性能可靠；该类电源品牌有P+F、Moore等，但因该类电源产品价格较高，DCS系统集成商不会主动选用该方案。

④DCS卡件形式
DCS系统既有端子板卡件，也有连接型卡件。近年来，因端子板卡件存在允许的电缆外径较小、维护不方便等缺点，而连接型卡件的端子板可和安全栅柜同柜安装，且自端子板至卡件可采用专用电缆，可有效的减少接线工程量，降低工程成本，因此得到较多的工程应用。

⑤其它因素
除了以上因素外，还有一些因素影响安全栅柜的设计，主要有以下两点：
a、是否设置一次端子。这主要和项目总体要求及用户习惯及有关，规范没有强制要求。一次端子大多布置在安全栅柜的侧面，个别项目也独立设置端子柜。
b、是否设置浪涌保护器。这主要根据当地年平均雷暴天数来确定。如需要一般是和安全栅同柜布置(左右或前后相邻，并一一对应)，便于接线。

2、合理的安全栅柜设计模式
根据多个项目实践，图1所示的设计模式符合大部分人员的设计习惯：

图1  安全栅柜设计模式
下面对该设计模式进行介绍。
①整理I/O清单
接到I/O清单后，要先了解本项目工艺装置有那几个单元组成、各单元I/O数量，然后对I/O清单进行整理，根据项目DCS卡件的类型对I/O信号进行详细分类。常见的I/O类型分类见表1。
表1  常见的I/O类型信号类型                       描述AI(S) 2-Wire                 两线制模拟量输入，系统为仪表供电
AI(S) 4-Wire                 四线制模拟量输入，仪表需外供电
AI(R) 2-Wire                 两线制模拟量输入，系统为仪表供电，系统卡件为冗余配置
AI(R) 4-Wire                 四线制模拟量输入，仪表需外供电，系统卡件为冗余配置
AO(R)                           两线制模拟量输出，系统为仪表供电，系统卡件为冗余配置
DI                                 离散量输入
DI(R)                             离散量输入，系统卡件为冗余配置
DO                               离散量输出 DO(R) 离散量输出，系统卡件为冗余配置
T/C                               热电偶信号输入(注：仅个别DCS系统支持冗余配置)
RTD                              热电阻信号输入
PI                                  脉冲信号输入
RS485                           通讯信号
②分配控制器
熟悉完I/O清单后，设计人员要先核实技术协议中控制器的数量是否满足项目当前的需求，如无问题就可根据控制器性能对现场信号分配控制器，分配时应尽量保证各控制器负荷均衡。工程中最常用的是根据工艺单元对现场信号分配控制器，通过对各单元I/O数量进行组合，兼顾控制回路的数量以及工艺操作岗位紧密程度。该分配方式容易掌握，具有很强的工程实用性； I/O清单一旦确定就可开始DCS系统的设计工作，有利于节省项目的建设周期。分配中要避免将一个控制回路的信号分配到不同的控制器中，各DCS系统均不推荐这种分配方式。

③分配I/O通道
完成控制器分配后，接下来要对控制器内各卡件的I/O通道进行分配。根据DCS系统卡件类型，按照前面细分过I/O类型的信号清单，逐类按卡件依次分配通道，分配时可以在每块卡件中备用1-2个通道，也可整卡备用；要避免将不同类型的信号分配到同一块卡件中，否则会对后期的接线图的设计、机柜集成产生不利的影响。 

个别项目也会按现场多芯电缆内信号来分配卡件，以避免出现一根多芯电缆内信号接至多面安全栅柜的情况。但该方案会产生以下问题：安全栅柜及DCS系统设计必须等接线箱分配完成后才能开展，影响工期；因接线箱必须严格按照表1的信号类型进行设计，设计难度增大，接线箱用量增多，分支电缆长度较长，不便于施工；受仪表实际位置影响，常出现将一个控制回路信号分别排布在不同控制器情况。根据以往工程经验，该分配方案不合理，项目实施中问题较多，应避免采用。

④规划安全栅柜布局
以上工作完成后，就可以着手规划安全栅柜的具体布局了。受DCS系统卡件类型的限制，工程中多采用按安全栅类型分别设置安全栅柜方案(如个别项目安全栅数量较少可正、反面乃至按列集中排布)，很少采用混合排布方案。按安全栅类型集中排布将有助于机柜集成及后期维护。

确定好每个安全栅柜的功能后，就可以根据安全栅安装方案、电源配置方案来规划每个安全栅柜内的具体布局了。正常情况下，安全栅柜上方一般布置220VAC断路器及24VDC直流稳压电源和供电端子排，下方排布安全栅。安全栅可按DCS卡件I/O通道的信号进行排布，二者一一对应；当端子板和安全栅同柜布置时，可以分布在机柜的两面，方便二者之间的接线。此外，工程中安全栅、端子、DCS I/O通道会按一定的比例设置备用量，这些设备应按备用安全栅(端子)、备用I/O通道一一对应的原则进行排布，方便后期变更。图2、图3为工程中常用的两种安全栅柜布置方案，供大家参考。
                               
图2    导轨型安全栅柜布置
 
⑤绘制安全栅柜布置图和接线图
当安全栅柜内布局规划完毕并经用户及设计院确认后，就可以绘制安全栅柜布置图和接线图交给工厂进行机柜集成了，机柜集成中如有问题可根据实际情况对图纸进行局部修改。

通过洛阳石化、湛江东兴石化、呼和浩特石化公司等多个工程项目的检验，昌晖仪表制造有限公司分享的安全栅柜设计模式具有相当的合理性，可以有效的减少因机柜布局不合理引起的各种问题，规范项目中各DCS系统集成商安全栅柜设计模式，提高工作效率，保证了项目安全栅柜的整体设计水平。该模式对设计仪表同行具有一定的借鉴意义，能在一定程度上提高安全栅柜的设计水平。
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