DCS中4～20 mA電流冗余輸出實(shí)現(xiàn)方法分析

吳勝華，田海波

(南京國電南自維美德自動(dòng)化有限公司，南京 210032)

DCS中4～20 mA電流冗余輸出實(shí)現(xiàn)方法分析

吳勝華，田海波

(南京國電南自維美德自動(dòng)化有限公司，南京 210032)

介紹了分散式控制系統(tǒng)(DCS)4～20 mA電流輸出回路的實(shí)現(xiàn)原理，在此基礎(chǔ)上介紹了3種4～20 mA電流冗余輸出的實(shí)現(xiàn)方法，并針對各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

工業(yè)控制；分散控制系統(tǒng)；冗余

0 引言

在工業(yè)控制過程中，經(jīng)常需要對一些參數(shù)進(jìn)行測量，而一般傳感器的輸出信號較弱，不適合遠(yuǎn)距離傳輸。4～20 mA電流回路由于比電壓調(diào)制信號具有更好的抗干擾性能，信號適合遠(yuǎn)距離傳輸，因此成為工業(yè)過程控制的標(biāo)準(zhǔn)。所以，標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA傳感器和變送器設(shè)備在工業(yè)過程控制中有大量應(yīng)用[1]。

閥門、電機(jī)等設(shè)備大多由4～20 mA電流驅(qū)動(dòng)，基本上都是單輸出，不具備冗余功能，而且電流輸出的有效性不能快速反饋。由于模件硬件故障造成實(shí)際輸出的電流與所需要輸出的電流大小差異很大時(shí)，將會導(dǎo)致上述設(shè)備不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生產(chǎn)故障。

1 電流輸出原理

在分散式控制系統(tǒng)(DCS)中，4～20 mA電流輸出原理如圖1所示。在電流輸出前設(shè)置模擬開關(guān)，利用模件內(nèi)置CPU控制電流輸出。DL/T 1083—2008《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定：模擬量4～20 mA 輸出方式應(yīng)至少能夠驅(qū)動(dòng)回路阻抗不大于600 W的負(fù)載[2]，為了不影響帶負(fù)載能力，所以采樣電阻的阻值必須要小。

AO模件的輸出電流始終在4 mA以上，因此在輸出電路中增加過零比較電路。當(dāng)AO模件正常輸出電流且負(fù)載正常時(shí)，采樣電阻上的壓降使比較電路輸出低電平；當(dāng)AO模件正常輸出電流但負(fù)載斷線時(shí)，采樣電阻壓降為0 V，比較電路輸出為高電平。AO模件內(nèi)置CPU監(jiān)測到此電平信號并將此狀態(tài)信息上傳到過程控制站(DPU)。模件初始上電時(shí)，開關(guān)默認(rèn)斷開；當(dāng)模件收到DPU下發(fā)的電流輸出指令時(shí)，閉合開關(guān)，輸出對應(yīng)的控制電流，可有效避免在正常過程控制中因?yàn)楦鼡QAO模件時(shí)而引起的被控設(shè)備擾動(dòng)。

圖1 4～20 mA電流輸出原理框圖

2 實(shí)現(xiàn)方法

基于上述電流輸出的原理，電流冗余輸出有如下幾種模式。

2.1 方法1

如圖2所示，兩個(gè)獨(dú)立的AO模件電流輸出控制同一個(gè)設(shè)備(負(fù)載)。

圖2 DPU主導(dǎo)的冗余

圖2中，由DPU決定其中一個(gè)模件輸出控制電流信號，另外一個(gè)模件時(shí)刻處于備用狀態(tài)。當(dāng)輸出控制電流信號的模件發(fā)生故障時(shí)，諸如負(fù)載斷線、DPU通信失聯(lián)等，它將把故障信息提交給DPU，同時(shí)自身停止輸出控制電流；DPU接收到故障信息后，發(fā)出指令使備用的AO模件輸出指定電流。此方法

采用兩個(gè)不同的模件控制同一個(gè)設(shè)備，冗余可靠性較高，但是切換的控制權(quán)在DPU，冗余切換的時(shí)間較長[3]。

2.2 方法2

如圖3所示，由同一個(gè)模件的不同電流輸出通道控制同一個(gè)設(shè)備，其中只有一個(gè)通道輸出電流信號，另外一個(gè)通道時(shí)刻處于備用狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測到模件輸出電流信號的通道發(fā)生故障時(shí)，將斷開此路模擬開關(guān)并停止輸出控制電流，同時(shí)在配置的另一路通道輸出對應(yīng)的電流。此方法實(shí)現(xiàn)簡單，發(fā)生故障時(shí)冗余切換速度比較快，對設(shè)備擾動(dòng)較小，但是此方法只能抵御通道損壞、負(fù)載斷線等故障，對模件級不能達(dá)到冗余要求，冗余可靠性較低。

圖3 單模件自身實(shí)現(xiàn)的冗余

2.3 方法3

如圖4所示，AO模件1和模件2被配置為1組冗余輸出的模件。2模件的DO輸出分別接入到對方的DI輸入；2模件的電流輸出并聯(lián)到負(fù)載的兩端。

圖4 雙模件實(shí)現(xiàn)的冗余

被配置為主控模式的AO模件按DPU指令輸出控制電流，同時(shí)建立自身的工作正常信號；被配置為輔控模式的AO模件，只接收DPU指令并不輸出控制電流；當(dāng)主控模件監(jiān)測到自身故障時(shí)，將取消自身的工作正常信號，同時(shí)向DPU發(fā)送故障信息；輔控模式的模件時(shí)刻監(jiān)測主控模件的工作狀態(tài)信號，一旦發(fā)現(xiàn)此信號異常，則按接收到DPU的指令輸出電流，接管對設(shè)備的控制。此方法在故障發(fā)生時(shí)，冗余切換速度比較快，對設(shè)備擾動(dòng)較小，同時(shí)采用兩塊獨(dú)立的模件實(shí)現(xiàn)對同一設(shè)備的控制，冗余可靠性較高，缺點(diǎn)在于電路設(shè)計(jì)有點(diǎn)復(fù)雜，成本較高。

3 結(jié)束語

上述3種冗余電流實(shí)現(xiàn)方法在各家DCS中都有體現(xiàn)，用戶可根據(jù)自身設(shè)備的實(shí)際需要選用合適的方法。

[1]王常力,羅安.分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2016.

[2]火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件：DL/T 1083—2008[S].

[3]王丹麟，吳勝華，馬偉東.maxDNA分散控制系統(tǒng)I/O模件冗余實(shí)現(xiàn)機(jī)制[J].華電技術(shù)，2015,37(4)：22-24.

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

廣 告 索 引

北京科普斯特自動(dòng)化儀表有限公司

(封面)

北京新世翼節(jié)能環(huán)保科技股份有限公司

(封二)

華電技術(shù)廣告

(封三)

科潤機(jī)電工程有限公司

(封底)

上海大田閥門管道工程有限公司

(前插1)

青島捷能汽輪機(jī)集團(tuán)股份有限公司

(前插2)

遼寧鴻盛環(huán)境技術(shù)集團(tuán)有限公司

(前插3)

葫蘆島市華能工業(yè)陶瓷有限公司(跨版)

(前插4，5)

鄭州科源耐磨防腐工程有限公司(跨版)

(前插6,7)

華電重工股份有限公司

(目次頁右)

江蘇環(huán)球龍圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司

(中插1)

深圳貝騰科技有限公司

(中插2)

南京圣諾熱管有限公司

(中插3)

華電環(huán)保系統(tǒng)工程有限公司(跨版)

(中插4，5)

合眾高科(北京)環(huán)保技術(shù)股份有限公司

(中插6)

重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司執(zhí)行器分公司

(后插1)

杭州順豪橡膠工程有限公司

(后插2)

2017-02-16；

2017-03-20

TK 321

B

1674-1951(2017)04-0044-02

吳勝華(1977—)，男，湖北荊門人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事分散控制系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:shenghua-wu@sac-valmet.com)。

田海波(1985—)，男，江蘇南京人，工程師，工學(xué)碩士，從事分散控制系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:haibo-tian@sac-valmet.com)。