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引言

隨著信息化技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)工程項(xiàng)目控制系統(tǒng)逐漸由以往的模擬控制技術(shù)向數(shù)字化控制技術(shù)轉(zhuǎn)變 ［１⁃６］ 。 吹氣式液位計(jì)由于具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝、運(yùn)行穩(wěn)定、價格低廉、維護(hù)方便等特點(diǎn)，在安全生產(chǎn)方面具有很大的優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。 吹氣式液位計(jì)作為非接觸式液位測量儀表，可對敞口或密閉容器內(nèi)的液體進(jìn)行測量。 除吹氣管與被測介質(zhì)接觸外，吹氣裝置和差壓（壓力）變送器測量元件均不與被測介質(zhì)接觸，因而可以保護(hù)測量元件、減少儀表的維護(hù)量、增加測量的可靠性。 該吹氣裝置可保證恒定流量氣體輸出。 差壓（壓力）變送器測得的壓力能夠自動跟隨吹氣管出口壓力的變化。 因此，差壓（壓力）變送器輸出的信號與介質(zhì)液位高度成對應(yīng)關(guān)系 ［７］ 。

 

某工程項(xiàng)目液位監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了分布式控制系統(tǒng)（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ＤＣＳ） 控制柜，通過 ＤＣＳ控制柜連接某品牌的一體化吹氣儀表，對現(xiàn)場吹氣式液位計(jì)的變送器信號進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)送至控制器中進(jìn)行顯示和邏輯處理。 ＤＣＳ 控制柜設(shè)計(jì)采用二線制變送器儀表，經(jīng)可尋址遠(yuǎn)程控制器高速通道的開放通信協(xié)議（ｈｉｇｈｗｅｕｙ ａｄｄｒｅｓｓａｄｅ ｒｅｍｏｔｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＨＡＲＴ）分離模塊接入 ＤＣＳ 控制柜端子板 ＴＢ２４１。 該控制柜在工程現(xiàn)場調(diào)試過程中出現(xiàn)了無法采集吹氣式液位計(jì)變送器信號問題，直接影響了工程使用。 本文shou先針對 ＤＣＳ 控制柜調(diào)試中出現(xiàn)的無法采集吹氣式液位計(jì)變送器信號問題進(jìn)行了詳細(xì)研究，然后對 ＤＣＳ控制柜相關(guān)模塊進(jìn)行了全面測試排查和原因分析，#后確定了 ＤＣＳ 控制柜中的故障模塊及故障的根本原因。 針對原因分析結(jié)果，本文制定了 ５ 種相應(yīng)工程解決技術(shù)方案，在兼顧經(jīng)濟(jì)性并保證工程進(jìn)度和質(zhì)量的前提下，通過多種技術(shù)方案的比較分析確定了 １ 種適合工程設(shè)計(jì)變更的技術(shù)方案。 對 ＤＣＳ 控制柜實(shí)施設(shè)計(jì)變更后的測試驗(yàn)證結(jié)果表明，該技術(shù)方案能夠確保設(shè)計(jì)變更后的 ＤＣＳ 控制柜滿足產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書和工程設(shè)計(jì)要求。

 

１　調(diào)試出現(xiàn)的問題及原因分析

ＤＣＳ 控制柜在工程現(xiàn)場連接一次儀表設(shè)備后，現(xiàn)場調(diào)試反饋無法采集吹氣式液位計(jì)變送器信號，并出現(xiàn)了以下現(xiàn)象。

 

①設(shè)備連通后，現(xiàn)場變送器無法正常啟動，ＡＩ２１２模塊采集的電流信號在 ０～２２ ｍＡ 之間來回波動。

②通過使用其他外部電源（不使用 ＴＢ２４１ 內(nèi)部供電），經(jīng) ＨＡＲＴ 分離模塊后連接變送器，現(xiàn)場變送器無法正常啟動。 ＡＩ２１２ 模塊采集的電流信號在 ０～２２ ｍＡ之間來回波動，或保持在 ２２．８ ｍＡ。

③通過使用其他外部電源（不使用 ＴＢ２４１ 內(nèi)部供電），不經(jīng) ＨＡＲＴ 分離模塊，直接連接變送器，現(xiàn)場變送器工作正常，模擬量輸入（ａｎａｌｏｇ ｉｎｐｕｔ，ＡＩ）信號采集正常。

④現(xiàn)場采用中控平臺 ＡＩ 模塊，不經(jīng) ＨＡＲＴ 分離模塊，直接連接變送器。 現(xiàn)場變送器工作正常，且 ＡＩ 信號采集正常。

 

在工程現(xiàn)場對問題控制柜情況進(jìn)行排摸，出現(xiàn)問題的共涉及 １５ 個 ＤＣＳ 控制柜，包含 ４２ 塊 ＡＩ 模塊的１９８ 個通道。 所出現(xiàn)的問題直接影響了現(xiàn)場 １９８ 個吹氣式液位計(jì)信號采集。 通過 ＤＣＳ 控制柜測試排查，ＡＩ模塊、接線端子模塊和變送器均可在其他連接方式時正常工作，且上述設(shè)備及其供電回路均無硬件損壞。在采用外部電源供電、不連接 ＨＡＲＴ 分離模塊的情況下，變送器能夠正確工作。 這說明問題可能出現(xiàn)在變送器、ＴＢ２４１ 模塊和 ＨＡＲＴ 分離模塊，或者上述模塊的相互配合上。

 

１．１　模塊及變送器分析

通過對 ＨＡＲＴ 分離模塊、ＴＢ２４１ 模塊和變送器分析，得到以下分析結(jié)果。

①ＴＢ２４１ 模塊設(shè)置了限流保護(hù)電路。 為保護(hù)信號回路和現(xiàn)場儀表，當(dāng)儀表的啟動電流超過 ２５ ｍＡ 時，ＴＢ２４１ 的限流二極管開始工作，降低了線路電壓，防止了現(xiàn)場設(shè)備損壞和 ＡＩ 通道損壞。 測試和分析結(jié)果表明，ＴＢ２４１ 模塊能夠正常工作，未發(fā)現(xiàn)異常。

②經(jīng)查詢 ＨＡＲＴ 分離模塊的手冊及測量確認(rèn)，ＨＡＲＴ 分離模塊內(nèi)部電阻為 ２４０ Ω，符合設(shè)計(jì)要求，未發(fā)現(xiàn)異常。

③經(jīng)查詢變送器手冊，變送器啟動#低電壓為１２ Ｖ，未發(fā)現(xiàn)異常。

 

經(jīng)與變送器儀表廠商溝通確認(rèn)，變送器的啟動電流為 １３～１４ ｍＡ。 當(dāng)線路中 ＤＣＳ 控制柜內(nèi)相關(guān)模塊內(nèi)阻、ＨＡＲＴ 分離模塊內(nèi)組以及變送器連接電纜電阻分壓后，而加載到變送器兩端的電壓不低于 １２ Ｖ 時，變送器儀表能正常工作。 通過對 ＴＢ２４１ 模塊和 ＨＡＲＴ 分離模塊的檢測和詳細(xì)分析，推測故障原因可能是變送器的供電電壓不匹配。 為進(jìn)一步驗(yàn)證推測，本文對某品牌提供的變送器樣品進(jìn)行了測試驗(yàn)證。

 

１．２　測試結(jié)果

本文對某品牌提供變送器樣品設(shè)計(jì)了以下測試場景：變送器通過外供電方式與 ＡＩ２１２ 模塊通道連接，并在 ＡＩ 通道兩端連接示波器。 其中：ＡＩ 模塊的通道阻抗為 １５０ Ω，如加上線阻及接插件電阻等，則 ＡＩ 模塊的總阻抗約為 １７６ Ω；對變送器外供電電壓值進(jìn)行調(diào)整并測試，確定其合適的需求電壓范圍。 針對上述測試場景，本文分別進(jìn)行了全面測試。不同測試場景的實(shí)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果表明，當(dāng)啟動電流為 ２２．８ ｍＡ 時，測試通道中各設(shè)備分壓較大，使得#終加載到變送器的電壓達(dá)不到啟動電壓，造成變送器無法正常啟動。 變送器廠家提供的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)變送器啟動電流在 １４ ｍＡ 以下、啟動電壓為 １２ Ｖ 時，整體回路應(yīng)能夠滿足變送器啟動要求，故判斷變送器廠家提供的相關(guān)參數(shù)存在與實(shí)際參數(shù)不符情況。 若不使用 ＴＢ２４１ 模塊供電，啟動電壓測試表明變送器兩端電壓達(dá)到 １２ Ｖ，且持續(xù)增加到 １４．４３ Ｖ 時，變送器信號一直為 ２２．８ ｍＡ，依然無法正常啟動；當(dāng)變送器的兩端電壓大于 １５．５ Ｖ 時，變送器方可正常工作。

 

針對此情況，本文通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)變送器廠家在變送器內(nèi)增加了 １ 個報警顯示模塊。 該報警顯示模塊在啟動時分壓為 ３．５ Ｖ。 故該變送器的啟動電壓實(shí)際應(yīng)為 １５．５ Ｖ，而非變送器說明書中的啟動電壓 １２ Ｖ。

 

２　解決方案

根據(jù)某品牌變送器特性，結(jié)合工程現(xiàn)場情況，為了提高加載到變送器的供電電壓，可通過取消變送器報警功能、取消 ＨＡＲＴ 隔離模塊、提高供電電壓方式、采用外部供電和降低變送器啟動電流等方案解決故障。為了確定符合工程項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際的解決方案，本文對擬采用的每種解決方案均進(jìn)行了利弊分析。

 

２．１　控制柜增加有源信號隔離模塊

方案一在 ＤＣＳ 控制柜內(nèi)增加有源信號隔離模塊，將變送器接線先接入 ＤＣＳ 控制柜內(nèi)的隔離模塊，再接入 ＨＡＲＴ 分離模塊。 該方案的優(yōu)點(diǎn)是能夠在不改變原設(shè)計(jì)功能情況下，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；缺點(diǎn)是需重新采購增隔離器、ＤＣＳ 控制柜修改工作量較大，且可能因個別 ＤＣＳ 控制柜內(nèi)空間布局緊張而導(dǎo)致工程現(xiàn)場需重新進(jìn)行電纜端接。

 

２．２　采用外回路用電方式

方案二采用外回路供電方式，即取消變送器內(nèi)部報警顯示模塊并使用外回路供電。 該方案可降低ＴＢ２４１ 模塊保護(hù)電路分壓約 ４．５ Ｖ。 考慮到某項(xiàng)目中不使用變送器的報警模塊報警功能，可取消變送器內(nèi)的報警模塊設(shè)計(jì)，從而降低啟動電壓 ３．５ Ｖ。 變送器的報警模塊取消后，雖然導(dǎo)致就地?zé)o法顯示變送器數(shù)值，但不影響信號至 ＤＣＳ 控制柜的傳輸。 變送器廠家后期需統(tǒng)一更換為無報警功能的顯示模塊。 該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、控制柜內(nèi)更改工作量相對較小；缺點(diǎn)是需協(xié)調(diào)變送器廠商重新加工設(shè)計(jì)變更后的變送器，并提供至工程項(xiàng)目現(xiàn)場進(jìn)行 ＤＣＳ 控制柜修改處理。

 

２．３　使用外部電源并提高供電電壓

方案三采用外回路供電方式，可降低 ＴＢ２４１ 模塊保護(hù)電路分壓約 ４．５ Ｖ，從而提高變送器兩端的電壓，滿足正常啟動需求。 測試結(jié)果表明，在采用外部電源時，回路中各設(shè)備在 ２２．８ ｍＡ 時的分壓如下：ＡＩ 通道分壓（存在接插電阻）為 ４．１～５．１ Ｖ；ＨＡＲＴ 分離模塊分壓為 ５．４７ Ｖ；電纜線路分壓（按 １ ０００ ｍ 計(jì)算，線阻為３７．７Ω）為 ０．８５９ Ｖ；變送器啟動電壓為 １５．５ Ｖ，需求電壓為 ２６．０～２７．０Ｖ。

 

根據(jù)以上各分壓計(jì)算，現(xiàn)場需要將用電電源提高到 ２６．５～２７．５ Ｖ。 該方案的優(yōu)點(diǎn)是控制柜內(nèi)更改工作量相對較小；缺點(diǎn)是升壓后將超過 ２６．４ Ｖ（２４ Ｖ 的１１０％），對其他設(shè)備存在一定的影響。 電源模塊在長期運(yùn)行后會有一定的壓降，如長期運(yùn)行可能導(dǎo)致變送器無法啟動的風(fēng)險。

 

２．４　去除 ＨＡＲＴ 隔離模塊

方案四是去除 ＨＡＲＴ 隔離模塊，將變送器報警顯示模塊變更為無報警功能的顯示模塊。 取消 ＨＡＲＴ 隔離模塊（即回路中不連接 ＨＡＲＴ 隔離模塊）后，變送器啟動電壓距離正常啟動電壓的壓差為 ０．１ Ｖ。 變送器報警模塊在本項(xiàng)目中未應(yīng)用。 因此，去除報警模塊，可降低啟動電壓 ３．５ Ｖ。 變送器的報警模塊取消后，就地?zé)o法顯示變送器數(shù)值，但不影響信號遠(yuǎn)傳。 變送器廠家后期將 ＨＡＲＴ 隔離模塊更換為無報警功能的顯示模塊。 該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、控制柜內(nèi)更改工作量相對較小、更換顯示模塊不影響現(xiàn)場調(diào)試；缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn) ＨＡＲＴ 功能。

 

２．５　降低變送器啟動電流

方案五是降低變壓器啟動電流。 本文設(shè)計(jì)中應(yīng)用的變送器啟動電流過高，可協(xié)調(diào)變送器廠家降低變送器啟動電流。 該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，ＤＣＳ 控制柜wuxu變更；缺點(diǎn)是需協(xié)調(diào)變送器供貨廠家進(jìn)行處理或更換，解決周期較長，對工程項(xiàng)目進(jìn)度影響較大。

 

２．６　tuijian解決方案

根據(jù)以上 ５ 種解決方案的利弊分析，其中的#佳解決方案為降低變送器啟動電流。 但考慮到工程現(xiàn)場進(jìn)度緊張、協(xié)調(diào)變送器廠商更換處理難度較大，以及供貨成本控制等多種因素，在滿足安全重要數(shù)字儀表和控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)相關(guān)安全準(zhǔn)則 ［８］ 并保證工程項(xiàng)目進(jìn)度和成本控制前提下，本文tuijian采用控制柜增加有源信號隔離模塊方案。 該方案已得到工程項(xiàng)目業(yè)主確認(rèn)。

 

３　測試與驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)tuijian確定的設(shè)計(jì)修改方案，本文對 ＤＣＳ 控制柜進(jìn)行了設(shè)計(jì)修改。 吹氣儀表與 ＨＡＲＴ 分離模塊之間增加隔離模塊。 采用隔離模塊對儀表直接供電，可有效減少回路分壓。 按照變送器儀表特性對隔離模塊驅(qū)動能力進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，能夠有效解決變送器啟動電壓不足的問題。 接線原理如圖 １ 所示。

本文設(shè)計(jì)采用的某型號信號隔離器，屬于輸入二線制、三線制變送器或電流源信號，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換為電流信號輸出，同時支持 ＨＡＲＴ 數(shù)字信號雙向傳輸。 該隔離器要好立供電，輸入、輸出和電源三端隔離。 信號隔離器的技術(shù)參數(shù)如下：供電電源為 １８～６０ Ｖ ＤＣ，電源反向保護(hù)；工作功耗為 １．３ Ｗ（２４ Ｖ，單路滿載輸出）、１．８ Ｗ（２４ Ｖ，雙路滿載輸出）；輸入信號為４～２０ ｍＡ，ＨＡＲＴ 數(shù)字信號；輸入阻抗約為 ５０ Ω；配電電壓為開路電壓≤２６ Ｖ、２０ ｍＡ 時輸出電壓≥２２ Ｖ；輸出信號為４～ ２０ ｍＡ，ＨＡＲＴ 數(shù)字信號；允許負(fù)載 Ｒ Ｌ ≤５５０ Ω；響應(yīng)時間≤２ ｍｓ；規(guī)格尺寸為 １２．８ ｍｍ（寬） ×１１０ ｍｍ（高）×１１７ ｍｍ（深）。

 

根據(jù)tuijian的解決方案，對現(xiàn)場 ＤＣＳ 控制柜實(shí)施了設(shè)計(jì)修改，并連接現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行了調(diào)試測試。 測試結(jié)果表明，ＤＣＳ 控制柜能夠正常采集變送器信號，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

 

４　結(jié)論

本文對 ＤＣＳ 控制柜現(xiàn)場調(diào)試中出現(xiàn)的無法采集吹氣式液位計(jì)變送器信號的情況，進(jìn)行了全面的測試排查和原因分析。 分析結(jié)果表明，故障的根本原因是變送器廠家提供的啟動電壓信號有誤，導(dǎo)致 ＤＣＳ 控制柜設(shè)計(jì)提供給變送器的供電電壓不足。

 

針對此問題，本文shou先提供了 ５ 種可行的解決方案；然后綜合考慮工程進(jìn)度和成本等多方面因素，確定了對工程項(xiàng)目影響#小的新增隔離模塊解決方案；#后對 ＤＣＳ 控制柜進(jìn)行了設(shè)計(jì)修改。 測試驗(yàn)證結(jié)果表明，設(shè)計(jì)修改后的 ＤＣＳ 控制柜能夠正常采集吹氣式液位計(jì)變送器信號，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。