引言

随着信息化技术和数字化技术的快速发展，工业工程项目控制系统逐渐由以往的模拟控制技术向数字化控制技术转变 ［１⁃６］ 。 吹气式液位计由于具有设备结构简单、易于安装、运行稳定、价格低廉、维护方便等特点，在安全生产方面具有很大的优势，已广泛应用于工业生产中。 吹气式液位计作为非接触式液位测量仪表，可对敞口或密闭容器内的液体进行测量。 除吹气管与被测介质接触外，吹气装置和差压（压力）变送器测量元件均不与被测介质接触，因而可以保护测量元件、减少仪表的维护量、增加测量的可靠性。 该吹气装置可保证恒定流量气体输出。 差压（压力）变送器测得的压力能够自动跟随吹气管出口压力的变化。 因此，差压（压力）变送器输出的信号与介质液位高度成对应关系 ［７］ 。

 

某工程项目液位监测系统中设计了分布式控制系统（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ＤＣＳ） 控制柜，通过 ＤＣＳ控制柜连接某品牌的一体化吹气仪表，对现场吹气式液位计的变送器信号进行采集，并将采集数据送至控制器中进行显示和逻辑处理。 ＤＣＳ 控制柜设计采用二线制变送器仪表，经可寻址远程控制器高速通道的开放通信协议（ｈｉｇｈｗｅｕｙ ａｄｄｒｅｓｓａｄｅ ｒｅｍｏｔｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＨＡＲＴ）分离模块接入 ＤＣＳ 控制柜端子板 ＴＢ２４１。 该控制柜在工程现场调试过程中出现了无法采集吹气式液位计变送器信号问题，直接影响了工程使用。 本文shou先针对 ＤＣＳ 控制柜调试中出现的无法采集吹气式液位计变送器信号问题进行了详细研究，然后对 ＤＣＳ控制柜相关模块进行了全面测试排查和原因分析，#后确定了 ＤＣＳ 控制柜中的故障模块及故障的根本原因。 针对原因分析结果，本文制定了 ５ 种相应工程解决技术方案，在兼顾经济性并保证工程进度和质量的前提下，通过多种技术方案的比较分析确定了 １ 种适合工程设计变更的技术方案。 对 ＤＣＳ 控制柜实施设计变更后的测试验证结果表明，该技术方案能够确保设计变更后的 ＤＣＳ 控制柜满足产品技术规格书和工程设计要求。

 

１　调试出现的问题及原因分析

ＤＣＳ 控制柜在工程现场连接一次仪表设备后，现场调试反馈无法采集吹气式液位计变送器信号，并出现了以下现象。

 

①设备连通后，现场变送器无法正常启动，ＡＩ２１２模块采集的电流信号在 ０～２２ ｍＡ 之间来回波动。

②通过使用其他外部电源（不使用 ＴＢ２４１ 内部供电），经 ＨＡＲＴ 分离模块后连接变送器，现场变送器无法正常启动。 ＡＩ２１２ 模块采集的电流信号在 ０～２２ ｍＡ之间来回波动，或保持在 ２２．８ ｍＡ。

③通过使用其他外部电源（不使用 ＴＢ２４１ 内部供电），不经 ＨＡＲＴ 分离模块，直接连接变送器，现场变送器工作正常，模拟量输入（ａｎａｌｏｇ ｉｎｐｕｔ，ＡＩ）信号采集正常。

④现场采用中控平台 ＡＩ 模块，不经 ＨＡＲＴ 分离模块，直接连接变送器。 现场变送器工作正常，且 ＡＩ 信号采集正常。

 

在工程现场对问题控制柜情况进行排摸，出现问题的共涉及 １５ 个 ＤＣＳ 控制柜，包含 ４２ 块 ＡＩ 模块的１９８ 个通道。 所出现的问题直接影响了现场 １９８ 个吹气式液位计信号采集。 通过 ＤＣＳ 控制柜测试排查，ＡＩ模块、接线端子模块和变送器均可在其他连接方式时正常工作，且上述设备及其供电回路均无硬件损坏。在采用外部电源供电、不连接 ＨＡＲＴ 分离模块的情况下，变送器能够正确工作。 这说明问题可能出现在变送器、ＴＢ２４１ 模块和 ＨＡＲＴ 分离模块，或者上述模块的相互配合上。

 

１．１　模块及变送器分析

通过对 ＨＡＲＴ 分离模块、ＴＢ２４１ 模块和变送器分析，得到以下分析结果。

①ＴＢ２４１ 模块设置了限流保护电路。 为保护信号回路和现场仪表，当仪表的启动电流超过 ２５ ｍＡ 时，ＴＢ２４１ 的限流二极管开始工作，降低了线路电压，防止了现场设备损坏和 ＡＩ 通道损坏。 测试和分析结果表明，ＴＢ２４１ 模块能够正常工作，未发现异常。

②经查询 ＨＡＲＴ 分离模块的手册及测量确认，ＨＡＲＴ 分离模块内部电阻为 ２４０ Ω，符合设计要求，未发现异常。

③经查询变送器手册，变送器启动#低电压为１２ Ｖ，未发现异常。

 

经与变送器仪表厂商沟通确认，变送器的启动电流为 １３～１４ ｍＡ。 当线路中 ＤＣＳ 控制柜内相关模块内阻、ＨＡＲＴ 分离模块内组以及变送器连接电缆电阻分压后，而加载到变送器两端的电压不低于 １２ Ｖ 时，变送器仪表能正常工作。 通过对 ＴＢ２４１ 模块和 ＨＡＲＴ 分离模块的检测和详细分析，推测故障原因可能是变送器的供电电压不匹配。 为进一步验证推测，本文对某品牌提供的变送器样品进行了测试验证。

 

１．２　测试结果

本文对某品牌提供变送器样品设计了以下测试场景：变送器通过外供电方式与 ＡＩ２１２ 模块通道连接，并在 ＡＩ 通道两端连接示波器。 其中：ＡＩ 模块的通道阻抗为 １５０ Ω，如加上线阻及接插件电阻等，则 ＡＩ 模块的总阻抗约为 １７６ Ω；对变送器外供电电压值进行调整并测试，确定其合适的需求电压范围。 针对上述测试场景，本文分别进行了全面测试。不同测试场景的实测数据和分析结果表明，当启动电流为 ２２．８ ｍＡ 时，测试通道中各设备分压较大，使得#终加载到变送器的电压达不到启动电压，造成变送器无法正常启动。 变送器厂家提供的数据表明，当变送器启动电流在 １４ ｍＡ 以下、启动电压为 １２ Ｖ 时，整体回路应能够满足变送器启动要求，故判断变送器厂家提供的相关参数存在与实际参数不符情况。 若不使用 ＴＢ２４１ 模块供电，启动电压测试表明变送器两端电压达到 １２ Ｖ，且持续增加到 １４．４３ Ｖ 时，变送器信号一直为 ２２．８ ｍＡ，依然无法正常启动；当变送器的两端电压大于 １５．５ Ｖ 时，变送器方可正常工作。

 

针对此情况，本文通过调研发现变送器厂家在变送器内增加了 １ 个报警显示模块。 该报警显示模块在启动时分压为 ３．５ Ｖ。 故该变送器的启动电压实际应为 １５．５ Ｖ，而非变送器说明书中的启动电压 １２ Ｖ。

 

２　解决方案

根据某品牌变送器特性，结合工程现场情况，为了提高加载到变送器的供电电压，可通过取消变送器报警功能、取消 ＨＡＲＴ 隔离模块、提高供电电压方式、采用外部供电和降低变送器启动电流等方案解决故障。为了确定符合工程项目现场实际的解决方案，本文对拟采用的每种解决方案均进行了利弊分析。

 

２．１　控制柜增加有源信号隔离模块

方案一在 ＤＣＳ 控制柜内增加有源信号隔离模块，将变送器接线先接入 ＤＣＳ 控制柜内的隔离模块，再接入 ＨＡＲＴ 分离模块。 该方案的优点是能够在不改变原设计功能情况下，确保系统运行稳定；缺点是需重新采购增隔离器、ＤＣＳ 控制柜修改工作量较大，且可能因个别 ＤＣＳ 控制柜内空间布局紧张而导致工程现场需重新进行电缆端接。

 

２．２　采用外回路用电方式

方案二采用外回路供电方式，即取消变送器内部报警显示模块并使用外回路供电。 该方案可降低ＴＢ２４１ 模块保护电路分压约 ４．５ Ｖ。 考虑到某项目中不使用变送器的报警模块报警功能，可取消变送器内的报警模块设计，从而降低启动电压 ３．５ Ｖ。 变送器的报警模块取消后，虽然导致就地无法显示变送器数值，但不影响信号至 ＤＣＳ 控制柜的传输。 变送器厂家后期需统一更换为无报警功能的显示模块。 该方案的优点是系统运行稳定、控制柜内更改工作量相对较小；缺点是需协调变送器厂商重新加工设计变更后的变送器，并提供至工程项目现场进行 ＤＣＳ 控制柜修改处理。

 

２．３　使用外部电源并提高供电电压

方案三采用外回路供电方式，可降低 ＴＢ２４１ 模块保护电路分压约 ４．５ Ｖ，从而提高变送器两端的电压，满足正常启动需求。 测试结果表明，在采用外部电源时，回路中各设备在 ２２．８ ｍＡ 时的分压如下：ＡＩ 通道分压（存在接插电阻）为 ４．１～５．１ Ｖ；ＨＡＲＴ 分离模块分压为 ５．４７ Ｖ；电缆线路分压（按 １ ０００ ｍ 计算，线阻为３７．７Ω）为 ０．８５９ Ｖ；变送器启动电压为 １５．５ Ｖ，需求电压为 ２６．０～２７．０Ｖ。

 

根据以上各分压计算，现场需要将用电电源提高到 ２６．５～２７．５ Ｖ。 该方案的优点是控制柜内更改工作量相对较小；缺点是升压后将超过 ２６．４ Ｖ（２４ Ｖ 的１１０％），对其他设备存在一定的影响。 电源模块在长期运行后会有一定的压降，如长期运行可能导致变送器无法启动的风险。

 

２．４　去除 ＨＡＲＴ 隔离模块

方案四是去除 ＨＡＲＴ 隔离模块，将变送器报警显示模块变更为无报警功能的显示模块。 取消 ＨＡＲＴ 隔离模块（即回路中不连接 ＨＡＲＴ 隔离模块）后，变送器启动电压距离正常启动电压的压差为 ０．１ Ｖ。 变送器报警模块在本项目中未应用。 因此，去除报警模块，可降低启动电压 ３．５ Ｖ。 变送器的报警模块取消后，就地无法显示变送器数值，但不影响信号远传。 变送器厂家后期将 ＨＡＲＴ 隔离模块更换为无报警功能的显示模块。 该方案的优点是系统运行稳定、控制柜内更改工作量相对较小、更换显示模块不影响现场调试；缺点是无法实现 ＨＡＲＴ 功能。

 

２．５　降低变送器启动电流

方案五是降低变压器启动电流。 本文设计中应用的变送器启动电流过高，可协调变送器厂家降低变送器启动电流。 该方案的优点是系统运行稳定，ＤＣＳ 控制柜wuxu变更；缺点是需协调变送器供货厂家进行处理或更换，解决周期较长，对工程项目进度影响较大。

 

２．６　tuijian解决方案

根据以上 ５ 种解决方案的利弊分析，其中的#佳解决方案为降低变送器启动电流。 但考虑到工程现场进度紧张、协调变送器厂商更换处理难度较大，以及供货成本控制等多种因素，在满足安全重要数字仪表和控制系统硬件设计相关安全准则 ［８］ 并保证工程项目进度和成本控制前提下，本文tuijian采用控制柜增加有源信号隔离模块方案。 该方案已得到工程项目业主确认。

 

３　测试与验证结果

根据tuijian确定的设计修改方案，本文对 ＤＣＳ 控制柜进行了设计修改。 吹气仪表与 ＨＡＲＴ 分离模块之间增加隔离模块。 采用隔离模块对仪表直接供电，可有效减少回路分压。 按照变送器仪表特性对隔离模块驱动能力进行设计选型，能够有效解决变送器启动电压不足的问题。 接线原理如图 １ 所示。

本文设计采用的某型号信号隔离器，属于输入二线制、三线制变送器或电流源信号，经隔离转换为电流信号输出，同时支持 ＨＡＲＴ 数字信号双向传输。 该隔离器要好立供电，输入、输出和电源三端隔离。 信号隔离器的技术参数如下：供电电源为 １８～６０ Ｖ ＤＣ，电源反向保护；工作功耗为 １．３ Ｗ（２４ Ｖ，单路满载输出）、１．８ Ｗ（２４ Ｖ，双路满载输出）；输入信号为４～２０ ｍＡ，ＨＡＲＴ 数字信号；输入阻抗约为 ５０ Ω；配电电压为开路电压≤２６ Ｖ、２０ ｍＡ 时输出电压≥２２ Ｖ；输出信号为４～ ２０ ｍＡ，ＨＡＲＴ 数字信号；允许负载 Ｒ Ｌ ≤５５０ Ω；响应时间≤２ ｍｓ；规格尺寸为 １２．８ ｍｍ（宽） ×１１０ ｍｍ（高）×１１７ ｍｍ（深）。

 

根据tuijian的解决方案，对现场 ＤＣＳ 控制柜实施了设计修改，并连接现场设备进行了调试测试。 测试结果表明，ＤＣＳ 控制柜能够正常采集变送器信号，系统运行稳定，满足设计要求。

 

４　结论

本文对 ＤＣＳ 控制柜现场调试中出现的无法采集吹气式液位计变送器信号的情况，进行了全面的测试排查和原因分析。 分析结果表明，故障的根本原因是变送器厂家提供的启动电压信号有误，导致 ＤＣＳ 控制柜设计提供给变送器的供电电压不足。

 

针对此问题，本文shou先提供了 ５ 种可行的解决方案；然后综合考虑工程进度和成本等多方面因素，确定了对工程项目影响#小的新增隔离模块解决方案；#后对 ＤＣＳ 控制柜进行了设计修改。 测试验证结果表明，设计修改后的 ＤＣＳ 控制柜能够正常采集吹气式液位计变送器信号，系统运行稳定，满足设计要求。