CHARM 控制系统在工程中的应用

史辰星

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 引言

在进行化工装置设计时，通常需要尽早确定控制系统方案，这对化工装置自控设计有着重要的意义与作用。现阶段，许多化工装置采用传统的DCS 自控系统，而近年来兴起的CHARM（电子布线）系统与传统的自控DCS 系统在设计流程上存在些许异同，对设计工作者的设计思路也有相应的要求。化工设计者应当综合考量多方因素，最终确定合理有效的控制方案。

2 DCS 概述及特点

2.1 DCS 概述

集散控制系统（Distributed Control System，DCS）是建立在微型计算机基础上，将分散型控制装置、通信系统、集中操作与信息管理系统有机统一的新型控制系统[1]。

2.2 DCS 的特点

DCS 具有以下特点：

1）功能分散。现场的过程控制单元可以有效而长期、不需人为干预地自动进行对过程参数的检测、运算处理、实施控制策略及进行信息输出、对已有过程参数进行实时有效控制。

2）信息综合与集中管理。在全系统层面，实现信息综合与集中管理，其目的是高水平发挥单元体系的功能。

3）局域网通信技术。如今，在众多化工装置中，工业局域网通信方式得到广泛运用，并且出于安全性的考虑，大多情况下采用光纤通信方式。

4）高可靠性。因冗余容错技术的发展，系统可将单元发生故障的影响控制在局部，而自诊断、报警、自修复等功能的存在，使得系统可靠性大幅提高。

5）构成灵活与扩展方便。大中小系统均可由标准硬件模块、I/O 卡件和接插件灵活地通过系统选型构成。

6）采用面向过程的语言。DCS 一般采用面向过程的语言，使用人员只需在已有的功能块中选择合适的模块，输入所需参数就能调用控制器实现相应需求。

2.3 DCS 的基本组成

DCS 系统的基本组成包括：

控制器、操作员站、工程师站、服务器及其他功能站、系统网络、现场总线网络、高级管理网络。

3 CHARM 系统的设计流程

本文以艾默生系统为例，对CHARM 系统在某项目中的设计应用进行了说明。

电子布线技术的主要特点为：（1）后期变更可快速实现；（2）简化回路及仪表调试量；（3）无机柜错线，减少接线量；（4）线缆敷设量降低数量级，安装速度大幅提升。

CHARM 系统的设计从系统上主要分为以下4 个模块。

3.1 信号系统设计

CHARM 柜主要有以下两种型号：

48 点（910 mm 宽×1 070 mm 高×325 mm 深）和96 点（915 mm 宽×1 220 mm 高×475 mm 深）两种型号，对应的最大输入输出通道数量分别为48 和96。现场CHARM 柜采用220V 交流供电，使用一对5A（48 点）或10A（96 点）电源模块用于CHARM 和光电转换器供电。现场CHARM 柜采用底部进线的方式，机柜底部安装有可拆卸式格兰板。电缆通过格兰板上的格兰固定。格兰板开孔根据项目具体要求在确定具体进线情况后完成开孔。

CHARM 机柜用于现场仪表的接线，48 点的柜子通常接40 个仪表点，96 点的柜子通常接85～90 点，无须区分数字信号与模拟信号，但需区分本安与非本安信号，具体原则如下：（1）尽量将本安信号与非本安信号分至不同的CHARM 柜；（2）若无法做到按照机柜将本安与非本安信号分开，可按照靠近控制器侧为本安信号的原则混合配置IO 点。

需将所有远传仪表点单拉接至CHARM 柜的端子即可。

48 点I/O 现场CHARM 柜含1 对5A 冗余电源，1 个冗余光电转换器，一组包含4 个baseplate 底板的CHARM 及呼吸阀。

96 点I/O 现场CHARM 柜含1 对10A 冗余电源，1 个冗余光电转换器，一组包含8 个baseplate 底板的CHARM 及呼吸阀。

本文以96 点CHARM 柜为例，阐述CHARM 系统的接线设计。

因CHARM 系统的1 个控制器最多只能带6 面机柜即576 个仪表点，当化工装置的体量较小（远传仪表点总数小于576 点）时，可参照传统DCS 的接线方式，采用“分类型就近接线”原则进行接线设计。但当进行仪表点数高于576 个的装置设计时，需要提前分控制器，具体原则如下：

1）将参与联锁的仪表点接至同一控制器下所对应的6 面CHARM 柜中。若装置远传仪表过多，则可根据反应线等要素进一步划分。

2）有特殊要求的联锁的仪表点应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）所有开关阀门的电磁阀及阀位回讯因尽可能排布在相同CHARM 柜的同一底板上。

4）所有控制（调节）回路所对应的远传仪表应尽可能接至同一CHARM 柜或相同的控制器所对应的CHARM 柜中。

5）参与联锁的电气DI/DO 信号，排卡时需放入同一CHARM柜内。

由此可见，在进行CHARM 系统接线设计之前，应先对IO 进行梳理，获得需要进行“特殊处理”的仪表清单，从而提高设计效率，避免后期因控制器无法准确调用CHARM 柜所接仪表而造成设计返工。

在完成电缆接线之后，应根据接线数量，向系统厂家提供格兰板开孔条件，以便系统厂家进行后续排卡设计。

3.2 通信系统设计

光纤分配柜的主要作用为：将控制室来的多路光纤分配给现场CHARM 柜。

光纤分配柜的尺寸：宽×高×深=910 mm×1 070 mm×325 mm，其输入光缆为1 根48 芯光缆或者2 根24 芯光缆，输出光缆为24 根4 芯光缆，中间用跳线连接。

现场每面CHARM 柜均需通过2 根4 芯光纤分别接至光纤分配柜（主网）与光纤分配柜（副网）上；控制室到光纤箱的冗余光纤规格为48 芯，且需通过不同的槽盒敷设。

3.3 接地系统设计

传统接地方法为：机柜在机柜间接地，仪表在现场接地；相较于传统方式，CHARM 系统将机柜与仪表的接地均移至现场进行。

接地箱分为保护接地箱和工作接地箱，负责现场CHARM 柜、直流电源柜的接地。接地箱的尺寸通常有以下两种规格：

1）19 孔：宽×高×深=610 mm×370 mm×200 mm；

2）31 孔：宽×高×深=800 mm×560 mm×200 mm。

接地方案为：每个CHARM 柜、直流电源柜引出保护地和工作地（交流电源柜为保护地与屏蔽地），分别接至工作与保护接地箱。屏蔽地与工作地在柜内短接。

同时，应向电气专业提出总接地箱（接地扁铁）的位置。

在设计过程中，需要根据机柜的数量及其在不同楼层的排布，合理地设计放置工作接地箱与保护接地箱。

3.4 供电系统设计

传统DCS 在机柜间进行配电工作；而CHARM 系统将配电工作由机柜间移至现场。

直流电源柜主要是给现场的CHARM 机柜及四线制仪表供电，减少与机柜间往来电缆数量，进而达到方便现场维护的目的，其尺寸如下：交流电源柜的尺寸为宽×高×深=700 mm×800 mm×415 mm。机柜包含一个总开关，15 个分开关，总开关带2 个指示灯，一个用于指示输入电源，一个用于指示总开关合闸。开关采用外置旋转开关的形式，实现不开箱操作，总电流63A，支路电流最大16A。操作面外部加装一个防护罩用于保持操作面板的清洁。现场CHARM 柜与直流电源柜均需通过2 根供电电缆分别接至一对交流电源柜，且每面交流电源柜可接15 个点左右。

直流电源柜的尺寸为宽×高×深=915 mm×1 220 mm×475 mm，用于现场24 V 直流四线制仪表的供电（电磁流量计、质量流量计等），一共40 个端子，通常接35 个左右。

因CHARM 系统所需的机柜占地尺寸较大，设计人员应在IO 点数量确定之后，与管道专业沟通，提前规划项目所需的现场CHARM 柜、交流电源柜、直流电源柜、接地箱、通信箱在装置内预留位置，同时应考虑机柜散热需要，避免太阳对机柜的直射。CHARM 柜因尺寸较大原因，尽量避免背靠背排布，以免过多占用空间，影响检修的进行。

另外，在CHARM 系统中，为了满足微正压及防爆要求，满足吹扫系统每小时耗气2 m3/h（96 点机柜）的需要，所有的CHARM 柜（电气、仪表）、直流电源柜均需提供仪表气源，需根据厂家返回资料进行设计，建议采用卡套式直通螺纹终端接头PN63 FTφ10 mm-3/8NPT 配φ10 mm×1 的不锈钢管进行气源设计。

4 CHARM 系统设计的注意事项

综上所述，可见CHARM 系统在设计中需要注意的“特殊”之处在于：

1）CHARM 系统因其一个控制器只能带6 面CHARM 柜的特殊性，在设计大型装置时，应提前规划接线方案，避免后期因控制器无法调用所需仪表信号而造成设计返工。

2）因CHARM 系统所需的机柜、功能箱占地面积较大，需在项目开始后尽快向管道专业提供其在装置内的位置，避免因后期位置调整造成设计返工，从而影响设计进度与质量。

3）CHARM 系统因其主要接线工作为现场仪表接至仪表CHARM 柜，CHARM 柜至控制室采用光缆连接，故其进出装置桥架的规格和电缆的数量相比传统设计有着大幅度减少，方便了外管廊桥架的规划，减少了施工现场外管廊桥架与管道碰撞的可能性，最终节约了大量成本。

4）CHARM 系统需要满足正压防爆要求及吹扫需要，需对CHARM 柜（电气、仪表）、直流电源柜进行供气设计。

5）因CHARM 系统的特殊性，每面CHARM 柜需要同时需要接仪表信号与电源信号，故需根据现场CHARM 柜分布提前设计桥架进机柜的路径。

6）传统DCS 系统的接线原则为根据信号类型不同分类就近接线敷设；CHARM 系统则是按照“控制器优先”的原则进行接线，方便了现场接线箱的分配并保证了不同控制器之间互不干扰，提高了控制效率。

7）CHARM 柜无粉尘防爆认证，因此无法在粉尘环境中使用；在气体防爆区中，只能用于1 区/2 区，不能在0 区使用。

8）CHARM 柜现场带电时，不能开柜门。

5 结语

本文对传统DCS 进行了介绍，同时重点阐述了CHARM系统并根据化工装置体量的大小讲述了信号系统、通信系统、接地系统、供电系统的设计流程及设计过程中应当注意的事项，最后重点讨论了CHARM 系统相较于DCS 系统的优势与不足，为化工设计人员在进行控制方案选择及系统设计时提供了理论参考。