DCS系統脈沖輸入模塊檢測方法的嘗試

翟士標 唐慶暉

(上海阿自倍爾控制儀表有限公司, 201108)

技術進步

DCS系統脈沖輸入模塊檢測方法的嘗試

翟士標 唐慶暉

(上海阿自倍爾控制儀表有限公司, 201108)

介紹了一種用于檢測集散控制系統(DCS)中脈沖輸入 (PI)模塊工作狀態的方法。在沒有專用脈沖信號發生器的情況下,通過自制的脈沖檢測組件可對DCS系統中的 PI模塊進行狀態測試。該自制 PI模塊檢測組件使用方法簡單,檢測效率高,成本低廉,可運用于 DCS系統 PI模塊的應急檢測和日常維護工作中。

集散控制系統 脈沖輸入模塊 檢測

集散控制系統 (Distributed Control System,簡稱DCS)技術的含義是分散控制集中管理,是計算機技術、數字通訊技術和現代控制技術結合的產物,是信息時代的控制技術。

DCS是面向整體,面向系統的控制技術,目標是整個系統的最優化控制,包括現場實時控制的最優化和綜合信息管理的最優化。其中對各種物料的流量進行監視與控制是重要的一個環節,一般采用的流量測量信號有兩種類型,一類是采用4～20 mA的輸入信號,如差壓變送器、電磁流量計等;另一類是采用脈沖信號,如渦輪流量計、渦街流量計等。對 4～20 mA的輸入信號,一般采用高電平模擬輸入模塊對其進行信號處理;而對脈沖輸入信號,一般采用脈沖輸入模塊 (簡稱 PI模塊)對其進行輸入處理。作為一種嘗試,本文介紹一種自制脈沖檢測組件。當在流量監測設備發生故障,回路調試或判斷 PI模塊故障時,可以嘗試用它來代替專用脈沖信號發生器來解決問題。

1 PI模塊檢測原理

PI模塊是DCS系統控制器中的一種輸入輸出模塊。以日本山武公司的 DCS系統為例,每個 PI模塊接收 8點脈沖輸入信號,通常是干觸點信號(機械脈沖)或集電極開路輸出的脈沖信號 (電脈沖),當輸入脈沖信號電壓≥13V(DC)或對應的回路電流≥12 mA時觸點狀態為 ON;當輸入脈沖信號電壓≤4V(DC)或對應的回路電流≤1.2 mA時觸點狀態為 OFF,脈沖頻率范圍為 0～5 kHz。PI模塊的電路見圖 1。

DCS系統在使用過程中,因環境、年限等因素,系統的硬件設備可能會發生故障,其中控制器的輸入輸出模塊是最容易出故障的部件。輸入輸出模塊的信號回路一旦出現問題,將無法正確監測生產裝置的實際情況,必須及時處理故障。但控制器的輸入輸出模塊出現故障的原因可能是不確定的。如故障原因是控制器輸入模塊的某一個信號通道或整個模塊壞了,這種情況下換一個未用的信號通道或更換模塊就可以排除故障;但有時故障原因不在輸入輸出模塊本身,而是生產裝置現場的相關設備出現問題,如現場的變送器因自身故障、信號線斷線、端子接觸不良等情況導致監測信號根本沒有送到DCS控制器的輸入模塊,這種情況下我們需要更換現場變送器或重新連接信號線以排除故障。因此,發現輸入輸出模塊出現故障,必須先要判斷故障部位、故障原因,然后才著手處理故障。

為了在發生故障時判斷是現場問題還是輸入輸出模塊的問題,我們可以用信號發生器在輸入輸出模塊的端子上加載模擬信號,如果 DCS系統顯示的模擬數據正確,就可以判斷不是輸入輸出模塊的問題;反之即可判定為輸入輸出模塊出現了問題。

圖 1 PI模塊的電路示意

另外,在新裝置剛開始使用 DCS系統進行回路調試時,也可以用信號發生器在中間接線端子上加載相應的模擬信號,對每個輸入輸出模塊進行回路調試。

信號發生器有多種類型,有電阻箱、mV信號發生器、4-20 mA/1-5 V信號發生器、脈沖信號發生器以及多功能型信號發生器。各種信號發生器的價格也相差較大,比如多功能信號發生器和脈沖信號發生器都比較貴,一般工廠企業里不一定將各類信號發生器都備齊。如果在 DCS使用過程中需要判斷 PI模塊是否有問題,或者在回路調試過程中需要對脈沖輸入回路進行調試時,沒有專用的脈沖信號發生器將影響檢測進程順利進行,嚴重情況下甚至會導致對生產裝置控制的失效。

2 自制 PI模塊檢測組件

2.1 自制 PI模塊檢測組件的組成

自制 PI模塊檢測組件主要由 PC機脈沖發生程序和電平匹配模塊兩個部分組成。

(1)PC機脈沖發生程序

PC機脈沖發生程序是本檢測組件的核心部分,它是在 PC機上用VisualBasic來編制的程序,其工作原理見圖 2。

圖 2 脈沖發生 VB程序流程

脈沖發生 VB程序具體的編制方法是:使用標準的串口通信控件MsComm,安排若干定時器以連續發送,用適當的字符和循環得到適當的頻率,選擇適當的波特率以適應頻率的高低。以下為 20 Hz時的VB程序源代碼:

編制其他頻率的VB程序時的一些設定參數見表 1。

表 1 編制 VB程序時的設定參數

(2)電平匹配模塊

由于脈沖發生程序是通過 PC機的 RS232通信口送出去的,其信號是邏輯 1為 -3～-15 V,邏輯 0為 +3～+15 V。而 PI模塊的輸入信號電平是高電平電壓UH≥13V(DC),低電平電壓 UL≤4 V(DC),所以要用電平匹配模塊將 PC機的RS232通信口送出去的信號電平與 PI模塊的輸入信號電平相匹配。電平匹配模塊用晶體管電子電路搭成,見圖 3。

圖 3 電平匹配模塊的電路圖

2.2 自制 PI模塊檢測組件的使用

自制 PI模塊檢測組件的實際使用較為簡單。當DCS系統某路監控狀態發生異常而懷疑故障原因為 PI模塊故障時,首先將自制 PI模塊檢測組件 (PC機、電平匹配模塊)與 DCS系統的相關PI模塊連接起來,即:將裝有脈沖發生程序的 PC機用 RS232專用電纜連接到電平匹配模塊的輸入端 (RS232口);電平匹配模塊的輸出端與 DCS系統 PI模塊的輸入端連接。例如測試山武 DCS系統某 PI模塊的第 1通道時,可將電平匹配模塊的輸出“+”端連接到該 PI模塊的 TB1:5端子,電平匹配模塊的輸出“-”端連接到 PI模塊的TB1:6端子。然后在自制檢測組件的軟件操作顯示界面 (圖 4)中選定輸出信號條件,順序選擇 PC的串行端口號 (只需選擇一次)和所需要的頻率,電平匹配模塊的輸出端即可輸出選定頻率的脈沖信號。該脈沖信號為單通道無源共地輸出,可連續輸出。

通過上述設定后,自制 PI模塊檢測組件即已開始模擬信號的輸出,通過檢查 DCS監控界面的反饋信號即可完成該 PI模塊工作狀態的檢測任務。

同樣,DCS系統 PI模塊的日常維護檢測也可以用上述方法進行。

圖 4 頻率選擇顯示界面的示意圖

2.3 自制 PI模塊檢測組件的特點

(1)測量精度高

自制 PI模塊檢測組件測試精度高,測量精度達到專用信號發生器的要求,符合實際使用需要。在溫度 28℃、濕度 48%的環境下對自制 PI模塊檢測組件用 OVAL脈沖檢測器 PC2201(產品序列號 SD0761,經上海市計量測試技術研究院檢驗通過,登記號:120090304F30-0002)進行精度測試。將自制 PI模塊檢測組件發出的各種頻率的脈沖信號加載到 OVAL脈沖檢測器 PC2201的信號輸入端,在 OVAL脈沖檢測器的顯示屏上顯示這些頻率值,顯示頻率與設定的理論頻率相對比以檢驗其準確度,測試結果見表 2。

表 2 PI模塊檢測組件的精度測試結果

由表 2可以看出,自制 PI模塊檢測組件的頻率最大誤差為 ±0.21%,其精度在使用范圍之內。

(2)使用的方便性

普通的多功能信號發生器的輸出脈沖信號無法驅動一般 DCS系統 PI模塊中輸入回路的光電偶合器。而專用脈沖信號發生器,如 OVAL的脈沖檢測器 PC2201,面板上有 6個多檔旋鈕和 4個按鈕,設置相對復雜,并且需要 110 V交流電源或者 6節 3V的鎳鎘電池。本文介紹的自制 PI模塊檢測組件,只要一臺普通電腦裝上預先編制好的脈沖發生程序和預先制作好的電平匹配模塊,直接連接到 DCS系統的 PI模塊就可進行檢測和調試,操作直觀清晰。

(3)經濟實用性

專用的脈沖信號發生器功能單一且價格昂貴,如僅購置一臺 OVAL脈沖檢測器 PC2201就需 2～3萬元。而自制 PI模塊檢測組件,其硬件電平匹配模塊可以使用普通的電子元件搭建,直接成本不超過 100元;軟件部分可以利用企業現有的工作電腦 (需有 RS232接口)裝上脈沖發生程序即可滿足日常的檢測要求。

3 結論

綜上所述,本文介紹的自制 PI模塊檢測組件使用方法簡單,檢測效率高,成本低廉,精度在理想范圍之內。同時,自制 PI模塊檢測組件的輸出為集電極開路型,可模擬渦輪流量計、渦街流量計、電量表等現場的電氣儀表的輸出信號。在沒有專用脈沖信號發生器或日常維護檢查等非計量目的的設備檢測時可利用此方法對 PI模塊進行快速測試。

Trial Application of TestingM ethod for Pulse InputM odule in DCS System

Zhai Shibiao,TangQinghui
(Shanghai Azbil Operating Instrum ent Co.,Ltd.201108)

A method for testing operating situation of pulse input(PI)module in distributed control system(DCS)was introduced.In the condition of having no special pulse signal generator,the situation of PImodule in DCS system can be tested with the self-made pulse test constituent.W ith the features of simple operation,high testing efficiency and low cost,the self-made PImodule test constituent can be used in emergency test and daily maintenance of PImodule in DCS system.

distributed control system,pulse inputmodule,test

1674-1099 (2011)02-0024-04

TP206+.1

A

2010-01-07。

翟士標,男,1959年 12月出生,1983年畢業于華東化工學院分院化工自動化及儀表專業,工程師,長期從事DCS系統的工作。