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制漿造紙過程中的儀表綜合接線箱設計及應用

作時間:2019-10-11  來源:  作者:
   
摘   要   在制漿造紙行業的自控工程設計中,使用儀表綜合接線箱可以有效減少電纜橋架用量并縮短接線工期,更好地保護儀表器件,提升車間的整潔度和美觀度,方便儀表檢修及安裝維護。為了解決制漿造紙工程中儀表電纜敷設及施工的難題,對比分析了各類儀表接線設計方法的優缺點,結合應用實例對儀表綜合接線箱信號、電源、氣源、接線等設計內容進行了詳細闡述,并展望了將來儀表接線箱的設計趨勢,為自控儀表接線設計提供重要的參考依據。
0 引言
隨著制漿造紙生產工藝和設備的不斷進步,制漿造紙行業對生產自動化要求也越來越高。隨著自動化技術的提高,現場儀表數量及種類不斷增加,如何高效地完成儀表接線設計成為自控儀表工程師工程設計的一項重要內容。傳統的儀表接線設計基于直接接線或者采用單一的電磁閥箱,容易造成電纜橋架設計難度大、電纜敷設工程量大、車間電纜雜亂無章、美觀度和整潔度差等問題。使用儀表綜合接線箱,將同類信號的儀表分支電纜通過接線箱匯集成多芯電纜再敷設至儀表機柜室,并將電磁閥安裝在接線箱內,還可以在現場進行儀表的供電和供氣分配,可以大大減少電纜的施工工程量,節約橋架的采購和安裝,有效保護易損儀表器件,提升車間的整潔度和美觀度 [1 ] 。
基于此,對制漿造紙過程中儀表綜合接線箱的設計要點進行分析,結合設計經驗以及制漿造紙的生產實際和工藝特點,分析比較各類接線方法的優缺點,提出一種行之有效的設計方法,為儀表接線箱的設計提供重要參考依據。
1 各類儀表接線法優缺點分析
制漿造紙生產工藝與其他工業生產過程相比,具有工藝設備多、大型設備多、儀表閥門多等特點,尤其是儀表的數量比其他流程工業過程多很多。因此,儀表的接線方法設計對制漿造紙工程來說尤為重要。常用的儀表接線法主要有儀表直接接線法、分類接線箱接線法、綜合接線箱接線法三種 [2 ] 。
表1分析了幾種常用的儀表接線法的優缺點,通過對比分析不難發現,采用綜合接線法設計儀表接線,是適應制漿造紙行業發展的需要,也是提高制漿造紙行業自動化程度的有效方法。
2 儀表綜合接線箱布置設計
儀表綜合接線箱一般立柱安裝或者靠墻柱安裝,設置在自控閥門、儀表相對較為集中的中心位置,完成附近儀表的接線以及閥門的供氣分配,并且把在現場易于損壞的電磁閥安裝在接線箱內。另外,在現場需要220VAC供電的儀表也在此綜合接線箱內進行電源的分配。這樣設計的好處:一是無須再設置儀表接線箱或者儀表架;二是用電儀表的供電和供氣可以直接由綜合接線箱內的電源分配模塊進行分配。儀表綜合接線箱的設計應該體現以下幾個方面的內容。
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2. 1外觀設計
儀表綜合接線箱的外觀設計關系到車間整體的美觀度和整潔度,既要滿足功能性要求,又要滿足美觀度要求。儀表綜合接線箱的設計要點主要有以下幾點:
(1 )儀表綜合接線箱應大小合理、尺寸統一。儀表綜合接線箱作為儀表接線的中轉箱,一般箱體的尺寸不宜過大,但太小又不能完成其應有的功能。實踐經驗表明,箱體尺寸設計為800mm×350mm×1。埃埃埃恚 ( L×D×H )或者600mm×300mm×800mm ( L×D×H )較理。
(2 )儀表綜合接線箱應一體成型,設計為掛箱,這樣才能外觀漂亮,安裝方便。接線箱應由一塊鋼板一次制造成型,箱體表面做拉絲處理,帶掛墻支耳,方便用膨脹螺栓固定安裝。
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 ( 3 )為方便后期維護,箱體應前側開門,宜配箱鎖。在綜合接線箱的使用中,為方便工程師進行后期儀表維護,要能打開箱門,而配箱鎖可以避免車間無關人員誤操作,造成不必要的損失。
(4 )每個接線箱應在箱門上制作永久的編號標識牌。儀表接線箱作為儀表接線的中間設備,是后續儀表檢修的重要載體,中間接線箱應有明確而不脫落的標識牌,便于后續檢修維護。
2. 2箱內布置設計
儀表綜合接線箱集合模擬信號接線、數字信號接線、電磁閥保護、儀表現場電源分配、儀表現場氣源分配為一體。只有做到布局合理,才能既滿足功能需要,又能縮小箱體體積,提高車間整體美觀度。箱內布置如圖1所示,主要考慮以下幾個方面的設計要點:
(1 )電源分配端子應布置在箱體內的上方,電源分配涉及220VAC電源,布置在上方,既安全又能合理利用箱體空間。
(2 )信號端子排布置在箱體內的中間。信號端子排分模擬信號端子排與數字信號端子排,由于模擬信號和數字信號可能布置在不同的 DCS。 / O 柜,因此應分開設計。 2 個端子排的長度一般相同,便于分配空間和對稱。
(3 )氣源分配模塊布置在箱體內的下部為宜。氣源分配包含調節閥的氣源分配和開關閥的氣源分配,應分2個分配端子。開關閥的電磁閥安裝在氣源端子排內,電磁閥的開關控制閥體的汽缸氣源的通斷,從而實現閥的開關。這樣布置,既保護了電磁閥,又實現了閥門的氣源分配。
(4 )考慮到現場接線方便,所有管線宜采用下進線箱體的下部開孔進出管線,避免灰塵落入,也方便現場接線。
(5 )接線箱內部布線要放在匯線槽內,做到整齊、有序、美觀,匯線槽要預留足夠的空間,方便施工接線。
2. 3信號接線端子排設計
信號接線作為儀表綜合接線箱的重要內容,其主要目的是把一個區域內的儀表信號集中在一個箱子內,然后再通過多芯計算機電纜接至儀表機柜室 DCS。 / O 柜,從而達到節省電纜、減少儀表接線工作量、節約橋架的目的。由于模擬信號( AI 、 AO )和數字信號(DI 、 DO )在 DCSI / O卡件和機柜布置方面處于不同的位置,因此本儀表接線箱信號接線分為 2 個接線端子排,即 X1和 X2 。 X1為模擬信號接線端子排,一般接入壓力變送器、差壓變送器、濃度變送器、液位變送器、溫度變送器、流量變送器等AI信號以及氣動調節閥等 AO 信號。 X2為數字信號接線端子排,一般接入壓力開關、溫度開關、流量開關、液位開關以及限位開關等 DI 信號和開關閥的輸出 DO 信號。通過以上端子排的區分,巧妙地解決了數字板卡和模擬板卡分開布置的難題,使得接線既集中又方便。信號接線的端子及電纜設計應注意以下內容:
(1 )考慮到后續的擴展和維護,模擬、數字接線端子排接入的儀表都不應設計太滿,以免部分端子由于長期使用而出現接觸不良的情況,一般設計20% 的備用接線端子。另外,如果現場由于實際情況需要而增加部分儀表,接線箱也能滿足實際需要。
(2 )從 X1模擬信號端子板接入 DCS。 / O 柜的多芯電纜 應 采 用 分 屏 蔽 加 總 屏 蔽 的 計 算 機 電 纜 ( ZRA -DJYPVPR ),避免模擬信號之間的相互干擾以及現場電氣設備對儀表模擬信號的干擾。數字信號由于相互之間幾乎不存在干擾,可采用 總 屏 蔽 的 計 算 機 電 纜 ( ZRA -DJYVPR )。
(3 )多芯電纜的芯數選擇,原則上和端子板上的端子數對應一致,但有時候為了節約投資,也可以選擇比現場儀表接入數量多20%的電纜芯數。
2. 4供氣設計
綜合箱內供氣設計還包括調節閥和開關閥的供氣設計,儀表供氣還需要有過濾減壓器及各支路單好關斷的球閥。各氣源分配器至現場閥門的氣源管可根據閥門口徑的不同選擇  8 、 10 、  12等不同規格的不銹鋼管、尼龍管或者PU 管。另外,還需注意的是,氣源支管在進入儀表綜合接線箱之前,還應設置總的關斷球閥及過濾減壓器,避免儀表氣源中含有塵埃影響閥門壽命。
2. 5供電設計
現場儀表按用電規格分為24V ( DC )和220V ( AC )兩種。 24V (DC )供電儀表主要有檢測儀表、變送器、電氣閥門定位器、電磁閥。這些儀表可靠性要求高,供電不能中斷,應采用 UPS 供電,并且應采用冗余的電源 [3 ] 。
由于通用型變送器、閥門定位器等為 24V ( DC )已通過 DCS 控制系統 I / O 卡件供電,而 DCS 控制系統一般采用 UPS 電源,即 24V ( DC )用電儀表已滿足用電要求,此處設計中不再涉及儀表電源分配。
部分功率較大的現場儀表,如電磁流量變送器、濃度變送器等為 220VAC 供電的儀表,需要設計現場儀表供電箱為它們供電。在儀表綜合接線箱中設計儀表供電模塊,不僅方便現場 220V AC 儀表供電,而且減少電纜在橋架上的體積,把供電箱從機柜室搬到現場,不僅方便儀表供電分配,而且節約時間和投資成本。儀表供電模塊的斷路器選擇規范中已有明確的規定,此處不再贅述。 220VAC 的進線應來自儀表機柜室儀表電源柜,儀表電源柜應由 UPS電源供電或者雙回路電源進線。電源模塊應設計總斷路器和6~8路支路斷路器。儀表綜合接線箱應設計每一臺現場儀表一個供電回路,防止因現場儀表某些故障而引起跳閘,斷路器的選擇應滿足上下級斷路器配合的整定原則。
3 應用實例分析
下面以江蘇某造紙企業的設計為背景,分析比較儀表綜合接線箱的應用情況。為了便于分析儀表綜合接線箱帶來的優點,選取樣本數較小的備漿車間為一個樣本空間進行分析和比較。
該樣本為生產高檔包裝紙項目的備 漿 車 間,設 有LBKP 、 NBKP 、 BCTMP 三條生產漿線。這三條生產線共有氣動調節閥56 臺,氣動開關閥50 臺,電磁流量計24臺,壓力變送器101 臺,液位變送器12 臺,濃度變送器20臺,流量開關 20臺,其他儀表 18臺。這些儀表均需接入DCS控制系統,實現對現場儀表的自動化控制。
接線箱的布置和分配原則,宜設計在各類儀表的中心位置,避免氣動管路過長而使閥門所需要的壓縮空氣的壓力不夠。另外,各類信號和電源的電纜長度也會縮減。通過以上方法的應用,設計儀表綜合箱一層13個,二層20個,在車間內靠墻柱安裝。若使用分類接線箱接線法,需設計電磁閥箱(8支路)
10個、調節閥氣源分配箱( 8支路)9個、電源分配箱( 8支路) 8個。
表2是結合該項目的實際采購結果、安裝周期以及投產后的應用效果,通過分析得出幾種接線法的指標對比。由于幾種方法分別采用兩芯或者多芯電纜,無法直接比較,但電纜的總體成本有所降低。表2主要從主橋架的使用量、施工工期、車間美觀度及整潔度,以及儀表檢修維護方面進行比較。
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 通過表 2 的結果分析不難發現,基于綜合接線箱接線法所需電纜橋架和施工工期比分類接線法節約 10%~15% 。除此之外,綜合接線箱還帶來其他方面的效果,如車間整潔度和美觀度大大提升、企業形象有所提高、后續儀表檢修和維護也較為方便等。
4 綜合接線箱設計展望
隨著工業自動化儀表的不斷發展,控制系統的不斷優化,儀表技術的不斷進步,儀表接線箱也需跟隨時代的發展步伐,不斷創新,這樣才能與自動化水平的提高相適應。將來 儀 表 接 線 箱 的 設 計 改 進 可 從 下 面 幾 個 方 面考慮。
(1 )通過分布式 I / O 卡件改進儀表綜合接線箱。隨著控制系統的優化,越來越多的控制系統采用分布式I / O ,如SIMATIC。牛裕玻埃埃樱邢盗。分布式 I / O(即DP從站)負責在現場準備編碼器和執行器數據,使得數據可以通過 PROFIBUS。模邪l送至控制CPU 。分布式I / O可以解決造紙車間較長、敷設電纜復雜等問題。分布式I /O的CPU 布置在機柜室,而I / O設備(輸入和輸出)在車間現場分布式運行,同時通過功能強大的 PROFIBUS。模 的高速數據傳輸能力,可以確?刂 CPU 和I / O 設備穩定順暢地進行通信。
當采用分布式 I / O 時,儀表接線箱的設計也需跟隨其發展而改進。由于分布式I / O不再區分數字量和模擬量,儀表綜合接線箱的端子模塊也會被分布式 I / O 模塊所替代,只需根據現場需求配置分布式 I / O 模塊在儀表接線箱,然后通過一根光纜,即可實現 I / O 模塊和 CPU的數據交換。這樣,接線箱的體積會縮小,多芯電纜的成本和電纜橋架的成本也會大大節約。如此設計儀表接線箱,儀表 電 纜 接 線 將 會 更 加 簡 單,安 裝 周 期 也 會 隨 之縮減。
(2 )通過閥島改進儀表綜合接線箱。隨著閥門技術的發展,越來越多的工業采用閥島實現閥門的控制。閥島是多個電磁閥的組合體,這幾個電磁閥擁有同一個進氣源,而輸出端是各自好立的。每個閥通常都是常閉的,一旦得到電控信號,電磁閥將打開,送出氣動信號,以驅動其他氣動元件。每個電磁閥都有各自對應的指示燈,一旦電磁閥得電打開后,指示燈點亮。電磁閥電控信號一般是24V 。
由于閥島技術對電磁閥進行了集成,這更加離不開現場儀表接線箱。將來的儀表接線箱,可以考慮設計導軌安裝閥島,通過給閥島供氣直接實現氣動開關閥的氣源分配。由于閥島的出現,接線箱的氣源分配將會更加快捷、方便,接線箱需要的空間會更小,更容易實現閥門的氣源分配。
5 結語
為了解決制漿造紙工程中儀表電纜敷設及施工的難題,結合制漿造紙過程自控工程實際,對比分析了常規儀表接線方法和儀表綜合接線箱接線的優缺點,提出了儀表接線的非常優設計方法,并詳細闡述了儀表綜合接線箱外觀設計、箱內布置設計、信號接線端子設計、供氣設計、供電設計等設計要點;并通過應用實例分析,比較了各種接線法的效果,對將來接線箱的設計進行了展望,幫助設計者進行儀表綜合接線箱的設計。依據本方法設計的儀表綜合接線箱已在國內外多個知名造紙企業中廣泛應用,并取得了良好的效果,優化了電纜敷設路徑,減少了制漿造紙過程中的各種其他接線箱,提高了車間整潔度和美觀度,有效提高了設計質量與效率,縮短了施工周期,為制漿造紙行業自控工程接線設計提供一種新思路。
 
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