電容式液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)及與DCS接口改進(jìn)

張?zhí)旌剑瑮?超

（中廣核研究院有限公司 系統(tǒng)工程與改造中心，廣東 深圳 518000）

0 引言

電容式液位計(jì)/開(kāi)關(guān)通過(guò)探頭的探桿將物理液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)探頭的電子元件將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而達(dá)到液位測(cè)量的目的。電容式液位計(jì)/開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的液位測(cè)量，比如水、燃油、潤(rùn)滑油的液位均可以通過(guò)電容式液位計(jì)/開(kāi)關(guān)來(lái)測(cè)量。隨著大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，電容式液位計(jì)/開(kāi)關(guān)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)液位計(jì)/開(kāi)關(guān)）向集成化和智能儀表方向發(fā)展。原型號(hào)液位計(jì)由原型號(hào)探頭和原型號(hào)變送器組成，由于原型號(hào)探頭無(wú)法直接輸出能夠送入DCS 的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)而僅能夠輸出脈沖頻率調(diào)制（下文稱(chēng)PFM）信號(hào)，所以需要使用原型號(hào)變送器將PFM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，再將標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送入DCS；原型號(hào)變送器為四線制，其與DCS 的電源接口和信號(hào)接口是分開(kāi)的，電源接口為24VDC 電源，信號(hào)接口為4mA ～20mA 有源信號(hào)。新型號(hào)液位計(jì)采用新型號(hào)探頭，無(wú)需再使用變送器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，新型號(hào)探頭為兩線制，即電源接口同時(shí)也是信號(hào)接口；DCS 通過(guò)2 根導(dǎo)線向新型號(hào)探頭提供24VDC 電源，同時(shí)也通過(guò)這2 根導(dǎo)線采集新型號(hào)探頭輸出的4mA ～20mA 信號(hào)，即新型號(hào)探頭與DCS 的接口為4mA ～20mA 無(wú)源信號(hào)。新、原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)均由探頭和變送器組成，均由變送器將探頭輸出的PFM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)信號(hào)，變送器均可輸出液位開(kāi)關(guān)信號(hào)和故障報(bào)警信號(hào)，與DCS 的信號(hào)接口均為干接點(diǎn)，與DCS 的電源接口均為24VDC 電源。原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器為卡槽安裝，與DCS 模塊安裝方式相同，可在DCS 柜內(nèi)模塊機(jī)架上；而新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器為DIN 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，無(wú)法安裝在DCS 柜內(nèi)，只能安裝在就地的接線箱，這導(dǎo)致DCS 要向柜外變送器供電并采集信號(hào)。為滿足新型號(hào)液位計(jì)/開(kāi)關(guān)的接口功能，并保證DCS 柜內(nèi)AI/DI 模塊的其他通道不受液位計(jì)/開(kāi)關(guān)所在通道故障的影響，本文給出了電容式液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型及其與DCS 接口改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了相關(guān)影響分析。

圖1 原型號(hào)液位計(jì)及與DCS的接口示意圖Fig.1 The original level meter and interface wit h DCS

1 液位計(jì)升級(jí)換型及其與DCS接口改進(jìn)設(shè)計(jì)

原型號(hào)液位計(jì)由探頭和變送器組成，探頭安裝于待測(cè)液體的容器罐上，變送器安裝于DCS 柜內(nèi)；探頭為兩線制，變送器通過(guò)2 根導(dǎo)線向探頭供電，并接收探頭輸出的PFM信號(hào)。變送器為四線制[1]，變送器通過(guò)2 根導(dǎo)線接受來(lái)自DCS 柜內(nèi)斷路器的24VDC 電源，并通過(guò)另外2 根導(dǎo)線輸出4mA ～20mA 信號(hào)至DCS 的AI 模塊。原型號(hào)液位計(jì)與DCS 的接口如圖1 所示。因?yàn)樵吞?hào)變送器的輸入與其他回路電氣隔離，且安裝在DCS 機(jī)柜內(nèi)，所以某一測(cè)量通道的DCS 柜外電纜（探頭至變送器的電纜）上的短路/超電流故障不會(huì)影響DCS 柜內(nèi)AI 模塊對(duì)其他通道的信號(hào)采集。

新型號(hào)液位計(jì)僅為探頭，不再采用單獨(dú)的變送器。探頭為兩線制，信號(hào)處理模塊通過(guò)2 根導(dǎo)線向探頭供電，并接收探頭輸出的4mA ～20mA 無(wú)源信號(hào)[2]。信號(hào)處理模塊將輸入端的4mA ～20mA 無(wú)源信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出端的4mA ～20mA 有源信號(hào)。為了使某一測(cè)量通道的DCS 柜外電纜（探頭至信號(hào)處理模塊的電纜）上的短路/超電流故障不會(huì)影響DCS 柜內(nèi)AI 模塊對(duì)其他通道的信號(hào)采集，在信號(hào)處理模塊與AI 模塊之間加入隔離模塊[3]，隔離模塊的輸入與輸出電氣隔離，隔離模塊輸出4mA ～20mA 有源信號(hào)至AI 模塊。其中，信號(hào)處理模塊和隔離模塊需要從向原型號(hào)變送器供電的斷路器下游取電。新型號(hào)液位計(jì)與DCS的接口如圖2 所示。

圖2 新型號(hào)液位計(jì)及與DCS的接口示意圖Fig.2 The upgraded level meter and interface with DCS

2 液位開(kāi)關(guān)升級(jí)換型及其與DCS接口改進(jìn)設(shè)計(jì)

原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)、新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)及與DCS 的接口示意圖分別如圖3 和圖4 所示。

◇ 新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)與原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)的相同點(diǎn)：

1）液位開(kāi)關(guān)由探頭和變送器組成，探頭安裝于待測(cè)液體的容器罐上。

2）探頭為兩線制，變送器通過(guò)2 根導(dǎo)線向探頭供電，并接收探頭輸出的PFM 信號(hào)。

3）變送器與DCS 的電源接口和信號(hào)接口是分開(kāi)的，變送器通過(guò)2 根導(dǎo)線接受來(lái)自DCS 柜內(nèi)斷路器的24VDC電源，并通過(guò)另外4 根導(dǎo)線輸出2 個(gè)干接點(diǎn)信號(hào)（分別為液位開(kāi)關(guān)信號(hào)和故障報(bào)警信號(hào)）。

◇ 新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)與原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)的不同點(diǎn)：

a）安裝方式和安裝位置的不同，原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器為卡槽式安裝，與DCS 模塊安裝方式相同，可在DCS 柜內(nèi)模塊機(jī)架上；新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器為DIN 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌式安裝，受限于其安裝方式和DCS 柜內(nèi)空間問(wèn)題無(wú)法安裝在DCS 柜內(nèi)，只能安裝在就地的接線箱。

b）由于上述安裝位置的不同，原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器通過(guò)DCS 柜內(nèi)導(dǎo)線與DCS 設(shè)備相連，而新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器通過(guò)DCS 柜外電纜與DCS 設(shè)備相連。

因?yàn)樵吞?hào)液位開(kāi)關(guān)變送器的輸入與其他回路電氣隔離，且安裝在DCS 機(jī)柜內(nèi)，所以某一測(cè)量通道的DCS 柜外電纜（探頭至變送器的電纜）上的短路/超電壓故障不會(huì)影響DCS 柜內(nèi)DI 模塊對(duì)其他通道的信號(hào)采集。

在液位開(kāi)關(guān)升級(jí)換型后，為了使某一測(cè)量通道的DCS柜外電纜（變送器至DCS 柜內(nèi)模塊/斷路器的電纜）上的接地/超電壓故障不會(huì)影響DCS 柜內(nèi)DI 模塊對(duì)其他通道的信號(hào)采集，在變送器與DI 模塊之間以及變送器與斷路器之間加入超電壓保護(hù)模塊；超電壓保護(hù)模塊內(nèi)包含保險(xiǎn)絲、限流電阻、熱偶二極管等，在柜外電纜發(fā)生接地/超電壓故障時(shí)可熔斷保險(xiǎn)絲/導(dǎo)通二極管以保護(hù)柜內(nèi)設(shè)備。新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器從向原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器供電的斷路器下游取電。

圖3 原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)及與DCS的接口示意圖Fig.3 The original level switch and interface with DCS

圖4 新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)及與DCS的接口示意圖Fig.4 The upgraded level switch and interface with DCS

表1 設(shè)備基本信息示例Table 1 The basic data of equipment

3 影響分析

3.1 設(shè)備基本信息

本文以6 個(gè)液位計(jì)和2 個(gè)液位開(kāi)關(guān)升級(jí)換型為例進(jìn)行說(shuō)明，設(shè)備基本信息示例見(jiàn)表1，以下影響分析過(guò)程均在此假設(shè)和示例的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3.2 DCS柜內(nèi)模塊布置空間影響分析

考慮液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型前后在DCS 柜內(nèi)安裝的設(shè)備差異，即在液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型前DCS 柜內(nèi)安裝的模塊為液位計(jì)變送器和液位開(kāi)關(guān)變送器，在液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型后DCS 柜內(nèi)安裝的模塊為信號(hào)處理模塊、隔離模塊和超電壓保護(hù)模塊，需要根據(jù)各模塊的數(shù)量和寬度來(lái)評(píng)估對(duì)布置空間的影響，根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)計(jì)算如下：

1）液位計(jì)升級(jí)換型改進(jìn)前DCS 柜內(nèi)變送器模塊需占用的機(jī)架寬度：6×7+2×4=50 HP。

2）液位計(jì)升級(jí)換型改進(jìn)后DCS 柜內(nèi)信號(hào)處理模塊、隔離模塊和超電壓保護(hù)模塊需占用的機(jī)架寬度：3×4+6×4+4=40 HP。

所以液位計(jì)升級(jí)換型改進(jìn)后DCS 柜內(nèi)模塊需占用的空間將變小，DCS 柜內(nèi)現(xiàn)有空間滿足液位計(jì)升級(jí)換型改進(jìn)的需要，無(wú)需新增機(jī)架或者占用原機(jī)架中的備用卡槽空間。

3.3 設(shè)備供電分析

液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型前后各設(shè)備的供電示意圖分別如圖5 和圖6 所示。圖6 中的隔離模塊1 ～6 分別用于液位計(jì)1 ～6 的信號(hào)采集通道，信號(hào)處理模塊1 ～3 共6 個(gè)通道分別用于液位計(jì)1 ～6 的信號(hào)采集通道。

3.3.1 DCS柜下游分?jǐn)嗦菲魅萘糠治?/p>

本改造涉及DCS 柜內(nèi)斷路器B1、B2、B3、B4、B5 的下游負(fù)荷的變化。

新型號(hào)液位計(jì)的供電設(shè)計(jì)：新型號(hào)液位計(jì)1 ～6 信號(hào)采集通道中所用信號(hào)處理模塊和隔離模塊供電保持與對(duì)應(yīng)通道的原型號(hào)液位計(jì)變送器供電相同。具體如下：

圖5 液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型前設(shè)備供電示意圖Fig.5 The power supply of the original level meter/switch

1）液位計(jì)1 信號(hào)采集通道中的模塊從斷路器B2 下游取電。

2）液位計(jì)2 信號(hào)采集通道中的模塊從斷路器B3 下游取電。

3）液位計(jì)3 ～6 信號(hào)采集通道中的模塊從斷路器B4下游取電。

新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)的供電設(shè)計(jì)：新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器的供電保持與對(duì)應(yīng)通道的原型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器供電相同。

液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型后DCS 柜下游分?jǐn)嗦菲髫?fù)荷分析：

a）斷路器B2（或B3）的下游負(fù)荷變化情況為由1 個(gè)原型號(hào)變送器變?yōu)?1 個(gè)信號(hào)處理模塊（1 個(gè)通道）和1 個(gè)隔離模塊，所以升級(jí)換型后斷路器B2（或B3）下游負(fù)荷增加了(a+ b×0.5- d) mA；由于斷路器B2（或B3）的下游負(fù)載還包括升級(jí)換型的液位計(jì)信號(hào)采集通道以外的設(shè)備，所以需要根據(jù)液位計(jì)升級(jí)換型前斷路器B2（或B3）的下游負(fù)荷以及液位計(jì)升級(jí)換型后斷路器B2（或B3）的下游負(fù)荷增量進(jìn)行求和計(jì)算得出液位計(jì)升級(jí)換型后斷路器B2（或B3）的下游負(fù)荷。

b）斷路器B4 的下游負(fù)載為2 個(gè)信號(hào)處理模塊（每個(gè)信號(hào)處理模塊使用了2 個(gè)通道）和4 個(gè)隔離模塊，所以液位計(jì)升級(jí)換型后斷路器B4 的下游負(fù)荷為(a×4+ b×2-d×4) mA。

c）斷路器B5 的下游負(fù)載為2 個(gè)新型號(hào)液位開(kāi)關(guān)變送器，所以液位開(kāi)關(guān)升級(jí)換型后斷路器B5 的下游負(fù)荷為2×c mA。

DCS 柜下游分?jǐn)嗦菲魅萘糠治觯喝缫何挥?jì)升級(jí)換型后DCS 柜各個(gè)下游分?jǐn)嗦菲鞯念~定容量仍大于其對(duì)應(yīng)負(fù)載的額定負(fù)荷且有一定的裕量，則下游分?jǐn)嗦菲鞯念~定容量滿足要求；否則下游分?jǐn)嗦菲鞯念~定容量不滿足要求，需要更換為額定容量更大的斷路器。

圖6 液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型后設(shè)備供電示意圖Fig.6 The power supply of the upgraded level meter/switch

3.3.2 DCS柜上游總斷路器容量分析

根據(jù)表1 所列的設(shè)備數(shù)量和額定電流信息，液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型后DCS 柜電流增加(a×6+b×3+c×2-d×6-e×2) mA?？蓪⒋穗娏髟黾恿颗c液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型前DCS 機(jī)柜的電流相加得出液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型后的DCS 機(jī)柜電流，從而評(píng)估DCS 機(jī)柜上游斷路器的容量是否滿足液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型后DCS 機(jī)柜電流的需求。如液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型后DCS 柜上游總斷路器的額定容量仍大于其對(duì)應(yīng)負(fù)載的額定負(fù)荷且有一定的裕量，則上游總斷路器的額定容量滿足要求；否則上游總斷路器的額定容量不滿足要求，需要更換為額定容量更大的斷路器。此外，上游總斷路器容量的選擇還需要綜合考慮和下游分?jǐn)嗦菲鞯募?jí)配關(guān)系，以防止發(fā)生斷路器越級(jí)脫扣現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了液位計(jì)/開(kāi)關(guān)升級(jí)換型及其與DCS 接口改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，能夠滿足新型號(hào)液位計(jì)/開(kāi)關(guān)的接口功能，并保證DCS 柜內(nèi)AI/DI 模塊的其他通道不受液位計(jì)/開(kāi)關(guān)所在通道故障的影響，同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)影響分析，從柜內(nèi)空間上驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性并給出了對(duì)斷路器容量的分析方法。