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制浆造纸过程中的仪表综合接线箱设计及应用

作时间:2019-10-11  来源:  作者:
   
摘   要   在制浆造纸行业的自控工程设计中,使用仪表综合接线箱可以有效减少电缆桥架用量并缩短接线工期,更好地保护仪表器件,提升车间的整洁度和美观度,方便仪表检修及安装维护。为了解决制浆造纸工程中仪表电缆敷设及施工的难题,对比分析了各类仪表接线设计方法的优缺点,结合应用实例对仪表综合接线箱信号、电源、气源、接线等设计内容进行了详细阐述,并展望了将来仪表接线箱的设计趋势,为自控仪表接线设计提供重要的参考依据。
0 引言
随着制浆造纸生产工艺和设备的不断进步,制浆造纸行业对生产自动化要求也越来越高。随着自动化技术的提高,现场仪表数量及种类不断增加,如何高效地完成仪表接线设计成为自控仪表工程师工程设计的一项重要内容。传统的仪表接线设计基于直接接线或者采用单一的电磁阀箱,容易造成电缆桥架设计难度大、电缆敷设工程量大、车间电缆杂乱无章、美观度和整洁度差等问题。使用仪表综合接线箱,将同类信号的仪表分支电缆通过接线箱汇集成多芯电缆再敷设至仪表机柜室,并将电磁阀安装在接线箱内,还可以在现场进行仪表的供电和供气分配,可以大大减少电缆的施工工程量,节约桥架的采购和安装,有效保护易损仪表器件,提升车间的整洁度和美观度 [1 ] 。
基于此,对制浆造纸过程中仪表综合接线箱的设计要点进行分析,结合设计经验以及制浆造纸的生产实际和工艺特点,分析比较各类接线方法的优缺点,提出一种行之有效的设计方法,为仪表接线箱的设计提供重要参考依据。
1 各类仪表接线法优缺点分析
制浆造纸生产工艺与其他工业生产过程相比,具有工艺设备多、大型设备多、仪表阀门多等特点,尤其是仪表的数量比其他流程工业过程多很多。因此,仪表的接线方法设计对制浆造纸工程来说尤为重要。常用的仪表接线法主要有仪表直接接线法、分类接线箱接线法、综合接线箱接线法三种 [2 ] 。
表1分析了几种常用的仪表接线法的优缺点,通过对比分析不难发现,采用综合接线法设计仪表接线,是适应制浆造纸行业发展的需要,也是提高制浆造纸行业自动化程度的有效方法。
2 仪表综合接线箱布置设计
仪表综合接线箱一般立柱安装或者靠墙柱安装,设置在自控阀门、仪表相对较为集中的中心位置,完成附近仪表的接线以及阀门的供气分配,并且把在现场易于损坏的电磁阀安装在接线箱内。另外,在现场需要220VAC供电的仪表也在此综合接线箱内进行电源的分配。这样设计的好处:一是无须再设置仪表接线箱或者仪表架;二是用电仪表的供电和供气可以直接由综合接线箱内的电源分配模块进行分配。仪表综合接线箱的设计应该体现以下几个方面的内容。
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2. 1外观设计
仪表综合接线箱的外观设计关系到车间整体的美观度和整洁度,既要满足功能性要求,又要满足美观度要求。仪表综合接线箱的设计要点主要有以下几点:
(1 )仪表综合接线箱应大小合理、尺寸统一。仪表综合接线箱作为仪表接线的中转箱,一般箱体的尺寸不宜过大,但太小又不能完成其应有的功能。实践经验表明,箱体尺寸设计为800mm×350mm×1 000mm ( L×D×H )或者600mm×300mm×800mm ( L×D×H )较理。
(2 )仪表综合接线箱应一体成型,设计为挂箱,这样才能外观漂亮,安装方便。接线箱应由一块钢板一次制造成型,箱体表面做拉丝处理,带挂墙支耳,方便用膨胀螺栓固定安装。
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 ( 3 )为方便后期维护,箱体应前侧开门,宜配箱锁。在综合接线箱的使用中,为方便工程师进行后期仪表维护,要能打开箱门,而配箱锁可以避免车间无关人员误操作,造成不必要的损失。
(4 )每个接线箱应在箱门上制作永久的编号标识牌。仪表接线箱作为仪表接线的中间设备,是后续仪表检修的重要载体,中间接线箱应有明确而不脱落的标识牌,便于后续检修维护。
2. 2箱内布置设计
仪表综合接线箱集合模拟信号接线、数字信号接线、电磁阀保护、仪表现场电源分配、仪表现场气源分配为一体。只有做到布局合理,才能既满足功能需要,又能缩小箱体体积,提高车间整体美观度。箱内布置如图1所示,主要考虑以下几个方面的设计要点:
(1 )电源分配端子应布置在箱体内的上方,电源分配涉及220VAC电源,布置在上方,既安全又能合理利用箱体空间。
(2 )信号端子排布置在箱体内的中间。信号端子排分模拟信号端子排与数字信号端子排,由于模拟信号和数字信号可能布置在不同的 DCS I / O 柜,因此应分开设计。 2 个端子排的长度一般相同,便于分配空间和对称。
(3 )气源分配模块布置在箱体内的下部为宜。气源分配包含调节阀的气源分配和开关阀的气源分配,应分2个分配端子。开关阀的电磁阀安装在气源端子排内,电磁阀的开关控制阀体的汽缸气源的通断,从而实现阀的开关。这样布置,既保护了电磁阀,又实现了阀门的气源分配。
(4 )考虑到现场接线方便,所有管线宜采用下进线箱体的下部开孔进出管线,避免灰尘落入,也方便现场接线。
(5 )接线箱内部布线要放在汇线槽内,做到整齐、有序、美观,汇线槽要预留足够的空间,方便施工接线。
2. 3信号接线端子排设计
信号接线作为仪表综合接线箱的重要内容,其主要目的是把一个区域内的仪表信号集中在一个箱子内,然后再通过多芯计算机电缆接至仪表机柜室 DCS I / O 柜,从而达到节省电缆、减少仪表接线工作量、节约桥架的目的。由于模拟信号( AI 、 AO )和数字信号(DI 、 DO )在 DCSI / O卡件和机柜布置方面处于不同的位置,因此本仪表接线箱信号接线分为 2 个接线端子排,即 X1和 X2 。 X1为模拟信号接线端子排,一般接入压力变送器、差压变送器、浓度变送器、金沙平台开户网站、温度变送器、流量变送器等AI信号以及气动调节阀等 AO 信号。 X2为数字信号接线端子排,一般接入压力开关、温度开关、流量开关、液位开关以及限位开关等 DI 信号和开关阀的输出 DO 信号。通过以上端子排的区分,巧妙地解决了数字板卡和模拟板卡分开布置的难题,使得接线既集中又方便。信号接线的端子及电缆设计应注意以下内容:
(1 )考虑到后续的扩展和维护,模拟、数字接线端子排接入的仪表都不应设计太满,以免部分端子由于长期使用而出现接触不良的情况,一般设计20% 的备用接线端子。另外,如果现场由于实际情况需要而增加部分仪表,接线箱也能满足实际需要。
(2 )从 X1模拟信号端子板接入 DCS I / O 柜的多芯电缆 应 采 用 分 屏 蔽 加 总 屏 蔽 的 计 算 机 电 缆 ( ZRA -DJYPVPR ),避免模拟信号之间的相互干扰以及现场电气设备对仪表模拟信号的干扰。数字信号由于相互之间几乎不存在干扰,可采用 总 屏 蔽 的 计 算 机 电 缆 ( ZRA -DJYVPR )。
(3 )多芯电缆的芯数选择,原则上和端子板上的端子数对应一致,但有时候为了节约投资,也可以选择比现场仪表接入数量多20%的电缆芯数。
2. 4供气设计
综合箱内供气设计还包括调节阀和开关阀的供气设计,仪表供气还需要有过滤减压器及各支路单好关断的球阀。各气源分配器至现场阀门的气源管可根据阀门口径的不同选择  8 、 10 、  12等不同规格的不锈钢管、尼龙管或者PU 管。另外,还需注意的是,气源支管在进入仪表综合接线箱之前,还应设置总的关断球阀及过滤减压器,避免仪表气源中含有尘埃影响阀门寿命。
2. 5供电设计
现场仪表按用电规格分为24V ( DC )和220V ( AC )两种。 24V (DC )供电仪表主要有检测仪表、变送器、电气阀门定位器、电磁阀。这些仪表可靠性要求高,供电不能中断,应采用 UPS 供电,并且应采用冗余的电源 [3 ] 。
由于通用型变送器、阀门定位器等为 24V ( DC )已通过 DCS 控制系统 I / O 卡件供电,而 DCS 控制系统一般采用 UPS 电源,即 24V ( DC )用电仪表已满足用电要求,此处设计中不再涉及仪表电源分配。
部分功率较大的现场仪表,如电磁流量变送器、浓度变送器等为 220VAC 供电的仪表,需要设计现场仪表供电箱为它们供电。在仪表综合接线箱中设计仪表供电模块,不仅方便现场 220V AC 仪表供电,而且减少电缆在桥架上的体积,把供电箱从机柜室搬到现场,不仅方便仪表供电分配,而且节约时间和投资成本。仪表供电模块的断路器选择规范中已有明确的规定,此处不再赘述。 220VAC 的进线应来自仪表机柜室仪表电源柜,仪表电源柜应由 UPS电源供电或者双回路电源进线。电源模块应设计总断路器和6~8路支路断路器。仪表综合接线箱应设计每一台现场仪表一个供电回路,防止因现场仪表某些故障而引起跳闸,断路器的选择应满足上下级断路器配合的整定原则。
3 应用实例分析
下面以江苏某造纸企业的设计为背景,分析比较仪表综合接线箱的应用情况。为了便于分析仪表综合接线箱带来的优点,选取样本数较小的备浆车间为一个样本空间进行分析和比较。
该样本为生产高档包装纸项目的备 浆 车 间,设 有LBKP 、 NBKP 、 BCTMP 三条生产浆线。这三条生产线共有气动调节阀56 台,气动开关阀50 台,电磁流量计24台,压力变送器101 台,金沙平台开户网站12 台,浓度变送器20台,流量开关 20台,其他仪表 18台。这些仪表均需接入DCS控制系统,实现对现场仪表的自动化控制。
接线箱的布置和分配原则,宜设计在各类仪表的中心位置,避免气动管路过长而使阀门所需要的压缩空气的压力不够。另外,各类信号和电源的电缆长度也会缩减。通过以上方法的应用,设计仪表综合箱一层13个,二层20个,在车间内靠墙柱安装。若使用分类接线箱接线法,需设计电磁阀箱(8支路)
10个、调节阀气源分配箱( 8支路)9个、电源分配箱( 8支路) 8个。
表2是结合该项目的实际采购结果、安装周期以及投产后的应用效果,通过分析得出几种接线法的指标对比。由于几种方法分别采用两芯或者多芯电缆,无法直接比较,但电缆的总体成本有所降低。表2主要从主桥架的使用量、施工工期、车间美观度及整洁度,以及仪表检修维护方面进行比较。
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 通过表 2 的结果分析不难发现,基于综合接线箱接线法所需电缆桥架和施工工期比分类接线法节约 10%~15% 。除此之外,综合接线箱还带来其他方面的效果,如车间整洁度和美观度大大提升、企业形象有所提高、后续仪表检修和维护也较为方便等。
4 综合接线箱设计展望
随着工业自动化仪表的不断发展,控制系统的不断优化,仪表技术的不断进步,仪表接线箱也需跟随时代的发展步伐,不断创新,这样才能与自动化水平的提高相适应。将来 仪 表 接 线 箱 的 设 计 改 进 可 从 下 面 几 个 方 面考虑。
(1 )通过分布式 I / O 卡件改进仪表综合接线箱。随着控制系统的优化,越来越多的控制系统采用分布式I / O ,如SIMATIC ET200SP系列。分布式 I / O(即DP从站)负责在现场准备编码器和执行器数据,使得数据可以通过 PROFIBUS DP发送至控制CPU 。分布式I / O可以解决造纸车间较长、敷设电缆复杂等问题。分布式I /O的CPU 布置在机柜室,而I / O设备(输入和输出)在车间现场分布式运行,同时通过功能强大的 PROFIBUS DP 的高速数据传输能力,可以确保控制 CPU 和I / O 设备稳定顺畅地进行通信。
当采用分布式 I / O 时,仪表接线箱的设计也需跟随其发展而改进。由于分布式I / O不再区分数字量和模拟量,仪表综合接线箱的端子模块也会被分布式 I / O 模块所替代,只需根据现场需求配置分布式 I / O 模块在仪表接线箱,然后通过一根光缆,即可实现 I / O 模块和 CPU的数据交换。这样,接线箱的体积会缩小,多芯电缆的成本和电缆桥架的成本也会大大节约。如此设计仪表接线箱,仪表 电 缆 接 线 将 会 更 加 简 单,安 装 周 期 也 会 随 之缩减。
(2 )通过阀岛改进仪表综合接线箱。随着阀门技术的发展,越来越多的工业采用阀岛实现阀门的控制。阀岛是多个电磁阀的组合体,这几个电磁阀拥有同一个进气源,而输出端是各自好立的。每个阀通常都是常闭的,一旦得到电控信号,电磁阀将打开,送出气动信号,以驱动其他气动元件。每个电磁阀都有各自对应的指示灯,一旦电磁阀得电打开后,指示灯点亮。电磁阀电控信号一般是24V 。
由于阀岛技术对电磁阀进行了集成,这更加离不开现场仪表接线箱。将来的仪表接线箱,可以考虑设计导轨安装阀岛,通过给阀岛供气直接实现气动开关阀的气源分配。由于阀岛的出现,接线箱的气源分配将会更加快捷、方便,接线箱需要的空间会更小,更容易实现阀门的气源分配。
5 结语
为了解决制浆造纸工程中仪表电缆敷设及施工的难题,结合制浆造纸过程自控工程实际,对比分析了常规仪表接线方法和仪表综合接线箱接线的优缺点,提出了仪表接线的非常优设计方法,并详细阐述了仪表综合接线箱外观设计、箱内布置设计、信号接线端子设计、供气设计、供电设计等设计要点;并通过应用实例分析,比较了各种接线法的效果,对将来接线箱的设计进行了展望,帮助设计者进行仪表综合接线箱的设计。依据本方法设计的仪表综合接线箱已在国内外多个知名造纸企业中广泛应用,并取得了良好的效果,优化了电缆敷设路径,减少了制浆造纸过程中的各种其他接线箱,提高了车间整洁度和美观度,有效提高了设计质量与效率,缩短了施工周期,为制浆造纸行业自控工程接线设计提供一种新思路。
 
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