吳勝華，田海波

(南京國(guó)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(guó)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(duì)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(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而一般傳感器的輸出信號(hào)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(hào)具有更好的抗干擾性能，信號(hào)適合遠(yuǎn)距離傳輸，因此成為工業(yè)過(guò)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(guò)程控制中有大量應(yīng)用[1]。

閥門(mén)、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(huì)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(kāi)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(guò)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(cè)到此電平信號(hào)并將此狀態(tài)信息上傳到過(guò)程控制站(DPU)。模件初始上電時(shí)，開(kāi)關(guān)默認(rèn)斷開(kāi)；當(dāng)模件收到DPU下發(fā)的電流輸出指令時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)，輸出對(duì)應(yīng)的控制電流，可有效避免在正常過(guò)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(hào)，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(hào)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(zhǎng)[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(hào)，另外一個(gè)通道時(shí)刻處于備用狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到模件輸出電流信號(hào)的通道發(fā)生故障時(shí)，將斷開(kāi)此路模擬開(kāi)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(duì)應(yīng)的電流。此方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，發(fā)生故障時(shí)冗余切換速度比較快，對(duì)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(duì)模件級(jí)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(duì)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(hào)；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(cè)到自身故障時(shí)，將取消自身的工作正常信號(hào)，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(cè)主控模件的工作狀態(tài)信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)此信號(hào)異常，則按接收到DPU的指令輸出電流，接管對(duì)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(duì)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(duì)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(yǔ)

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)

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2017-02-16；

2017-03-20

TK 321

B

1674-1951(2017)04-0044-02

吳勝華(1977—)，男，湖北荊門(mén)人，高級(jí)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)。