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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)字化控制技術轉變 ［１⁃６］ 。 吹氣式液位計由于具有設備結構簡單、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��；缺點是需協(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。