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    隔離模塊在吹氣式液位監測系統中的設計

    隔離模塊在吹氣式液位監測系統中的設計

    時間:2023-11-10 16:08:32

     摘 要:針對分布式控制系統(DCS)控制柜現場調試中出現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,系統運行穩定,滿足設計和技術規格書要求。 新增隔離模塊技術解決方案屬于吹氣式液位監測系統的成功應用,對后續工程項目的吹氣式液位監測系統設計具有指導價值,對控制柜調試中出現的類似問題解決具有重要參考意義。7t8壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

     
    引言
    隨著信息化技術和數字化技術的快速發展,工業工程項目控制系統逐漸由以往的模擬控制技術向數字化控制技術轉變 [1⁃6] 。 吹氣式液位計由于具有設備結構簡單、易于安裝、運行穩定、價格低廉、維護方便等特點,在安全生產方面具有很大的優勢,已廣泛應用于工業生產中。 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] 。
     
    某工程項目液位監測系統中設計了分布式控制系統(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,對現場吹氣式液位計的變送器信號進行采集,并將采集數據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,經可尋址遠程控制器高速通道的開放通信協議(highweuy addressade remote transducer,HART)分離模塊接入 DCS 控制柜端子板 TB241。 該控制柜在工程現場調試過程中出現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 控制柜調試中出現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 控制柜滿足產品技術規格書和工程設計要求。
     
    1 調試出現的問題及原因分析
    DCS 控制柜在工程現場連接一次儀表設備后,現場調試反饋無法采集吹氣式液位計變送器信號,并出現了以下現象。
     
    ①設備連通后,現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 內部供電),經 HART 分離模塊后連接變送器,現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 內部供電),不經 HART 分離模塊,直接連接變送器,現場變送器工作正常,模擬量輸入(analog input,AI)信號采集正常。
    ④現場采用中控平臺 AI 模塊,不經 HART 分離模塊,直接連接變送器。 現場變送器工作正常,且 AI 信號采集正常。
     
    在工程現場對問題控制柜情況進行排摸,出現問題的共涉及 15 個 DCS 控制柜,包含 42 塊 AI 模塊的198 個通道。 所出現的問題直接影響了現場 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,未發現異常。
    ②經查詢 HART 分離模塊的手冊及測量確認,HART 分離模塊內部電阻為 240 Ω,符合設計要求,未發現異常。
    ③經查詢變送器手冊,變送器啟動#低電壓為12 V,未發現異常。
     
    經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 控制柜內相關模塊內阻、HART 分離模塊內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據和分析結果表明,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據表明,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存在與實際參數不符情況。 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,本文通過調研發現變送器廠家在變送器內增加了 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
    根據某品牌變送器特性,結合工程現場情況,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 控制柜內增加有源信號隔離模塊,將變送器接線先接入 DCS 控制柜內的隔離模塊,再接入 HART 分離模塊。 該方案的優點是能夠在不改變原設計功能情況下,確保系統運行穩定;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 控制柜內空間布局緊張而導致工程現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值,但不影響信號至 DCS 控制柜的傳輸。 變送器廠家后期需統一更換為無報警功能的顯示模塊。 該方案的優點是系統運行穩定、控制柜內更改工作量相對較;缺點是需協調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。
     
    根據以上各分壓計算,現場需要將用電電源提高到 26.5~27.5 V。 該方案的優點是控制柜內更改工作量相對較;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。 該方案的優點是系統運行穩定、控制柜內更改工作量相對較小、更換顯示模塊不影響現場調試;缺點是無法實現 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,可協調變送器廠家降低變送器啟動電流。 該方案的優點是系統運行穩定,DCS 控制柜wuxu變更;缺點是需協調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。 但考慮到工程現場進度緊張、協調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,在滿足安全重要數字儀表和控制系統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主確認。
     
    3 測試與驗證結果
    根據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。
    接線原理圖
    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,經隔離轉換為電流信號輸出,同時支持 HART 數字信號雙向傳輸。 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 數字信號;允許負載 R L ≤550 Ω;響應時間≤2 ms;規格尺寸為 12.8 mm(寬) ×110 mm(高)×117 mm(深)。
     
    根據tuijian的解決方案,對現場 DCS 控制柜實施了設計修改,并連接現場設備進行了調試測試。 測試結果表明,DCS 控制柜能夠正常采集變送器信號,系統運行穩定,滿足設計要求。
     
    4 結論
    本文對 DCS 控制柜現場調試中出現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,系統運行穩定,滿足設計要求。
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