摘 要:針對分布式控制系統(tǒng)(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變送器信號問題,對 DCS 控制柜各關鍵模塊進行了全面測試排查和分析,確定了故障模塊及無法采集信號的原因,提出了 5 種可行的工程解決方案。 綜合考慮工程項目進度、成本等多方面因素,對 5 種解決方案的優(yōu)勢和劣勢分別進行了分析和對比,確定了對工程項目影響較小的新增隔離模塊解決方案,并對DCS 控制柜進行了設計修改。 對設計修改后的 DCS 控制柜開展了功能測試和試驗驗證。 試驗結(jié)果表明,DCS 控制柜能夠正常采集吹氣式液位計變送器信號,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,滿足設計和技術規(guī)格書要求。 新增隔離模塊技術解決方案屬于吹氣式液位監(jiān)測系統(tǒng)的成功應用,對后續(xù)工程項目的吹氣式液位監(jiān)測系統(tǒng)設計具有指導價值,對控制柜調(diào)試中出現(xiàn)的類似問題解決具有重要參考意義。
隔離模塊在吹氣式液位監(jiān)測系統(tǒng)中的設計
引言
隨著信息化技術和數(shù)字化技術的快速發(fā)展,工業(yè)工程項目控制系統(tǒng)逐漸由以往的模擬控制技術向數(shù)字化控制技術轉(zhuǎn)變 [1⁃6] 。 吹氣式液位計由于具有設備結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝、運行穩(wěn)定、價格低廉、維護方便等特點,在安全生產(chǎn)方面具有很大的優(yōu)勢,已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。 吹氣式液位計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,因而可以保護測量元件、減少儀表的維護量、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)液位高度成對應關系 [7] 。
某工程項目液位監(jiān)測系統(tǒng)中設計了分布式控制系統(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)場吹氣式液位計的變送器信號進行采集,并將采集數(shù)據(jù)送至控制器中進行顯示和邏輯處理。 DCS 控制柜設計采用二線制變送器儀表,經(jīng)可尋址遠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變送器信號問題進行了詳細研究,然后對 DCS控制柜相關模塊進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 種相應工程解決技術方案,在兼顧經(jīng)濟性并保證工程進度和質(zhì)量的前提下,通過多種技術方案的比較分析確定了 1 種適合工程設計變更的技術方案。 對 DCS 控制柜實施設計變更后的測試驗證結(jié)果表明,該技術方案能夠確保設計變更后的 DCS 控制柜滿足產(chǎn)品技術規(guī)格書和工程設計要求。
1 調(diào)試出現(xiàn)的問題及原因分析
DCS 控制柜在工程現(xiàn)場連接一次儀表設備后,現(xiàn)場調(diào)試反饋無法采集吹氣式液位計變送器信號,并出現(xiàn)了以下現(xiàn)象。
①設備連通后,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 模塊設置了限流保護電路。 為保護信號回路和現(xiàn)場儀表,當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,HART 分離模塊內(nèi)部電阻為 240 Ω,符合設計要求,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,變送器的啟動電流為 13~14 mA。 當線路中 DCS 控制柜內(nèi)相關模塊內(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分析,推測故障原因可能是變送器的供電電壓不匹配。 為進一步驗證推測,本文對某品牌提供的變送器樣品進行了測試驗證。
1.2 測試結(jié)果
本文對某品牌提供變送器樣品設計了以下測試場景: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,本文分別進行了全面測試。不同測試場景的實測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果表明,當啟動電流為 22.8 mA 時,測試通道中各設備分壓較大,使得#終加載到變送器的電壓達不到啟動電壓,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,整體回路應能夠滿足變送器啟動要求,故判斷變送器廠家提供的相關參數(shù)存在與實際參數(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際應為 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目現(xiàn)場實際的解決方案,本文對擬采用的每種解決方案均進行了利弊分析。
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)點是能夠在不改變原設計功能情況下,確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定;缺點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)空間布局緊張而導致工程現(xiàn)場需重新進行電纜端接。
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 模塊保護電路分壓約 4.5 V。 考慮到某項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)的報警模塊設計,從而降低啟動電壓 3.5 V。 變送器的報警模塊取消后,雖然導致就地無法顯示變送器數(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)點是系統(tǒng)運行穩(wěn)定、控制柜內(nèi)更改工作量相對較。蝗秉c是需協(xié)調(diào)變送器廠商重新加工設計變更后的變送器,并提供至工程項目現(xiàn)場進行 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)點是控制柜內(nèi)更改工作量相對較小;缺點是升壓后將超過 26.4 V(24 V 的110%),對其他設備存在一定的影響。 電源模塊在長期運行后會有一定的壓降,如長期運行可能導致變送器無法啟動的風險。
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目中未應用。 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,就地無法顯示變送器數(shù)值,但不影響信號遠傳。 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)點是系統(tǒng)運行穩(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;缺點是無法實現(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。 本文設計中應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)點是系統(tǒng)運行穩(wěn)定,DCS 控制柜wuxu變更;缺點是需協(xié)調(diào)變送器供貨廠家進行處理或更換,解決周期較長,對工程項目進度影響較大。
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)硬件設計相關安全準則 [8] 并保證工程項目進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目業(yè)主確認。
3 測試與驗證結(jié)果
根據(jù)tuijian確定的設計修改方案,本文對 DCS 控制柜進行了設計修改。 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)動能力進行設計選型,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。
本文設計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。 信號隔離器的技術參數(shù)如下:供電電源為 18~60 V DC,電源反向保護;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;允許負載 R L ≤550 Ω;響應時間≤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 控制柜實施了設計修改,并連接現(xiàn)場設備進行了調(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)運行穩(wěn)定,滿足設計要求。
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變送器信號的情況,進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,導致 DCS 控制柜設計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度和成本等多方面因素,確定了對工程項目影響#小的新增隔離模塊解決方案;#后對 DCS 控制柜進行了設計修改。 測試驗證結(jié)果表明,設計修改后的 DCS 控制柜能夠正常采集吹氣式液位計變送器信號,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,滿足設計要求。