DCS中4～20 mA電流冗余輸出實現方法分析

吳勝華，田海波

(南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210032)

DCS中4～20 mA電流冗余輸出實現方法分析

吳勝華，田海波

(南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210032)

介紹了分散式控制系統(DCS)4～20 mA電流輸出回路的實現原理，在此基礎上介紹了3種4～20 mA電流冗余輸出的實現方法，并針對各自的優缺點進行了分析。

工業控制；分散控制系統；冗余

0 引言

在工業控制過程中，經常需要對一些參數進行測量，而一般傳感器的輸出信號較弱，不適合遠距離傳輸。4～20 mA電流回路由于比電壓調制信號具有更好的抗干擾性能，信號適合遠距離傳輸，因此成為工業過程控制的標準。所以，標準的4～20 mA傳感器和變送器設備在工業過程控制中有大量應用[1]。

閥門、電機等設備大多由4～20 mA電流驅動，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際輸出的電流與所需要輸出的電流大小差異很大時，將會導致上述設備不能正常工作，嚴重時甚至會引發生產故障。

1 電流輸出原理

在分散式控制系統(DCS)中，4～20 mA電流輸出原理如圖1所示。在電流輸出前設置模擬開關，利用模件內置CPU控制電流輸出。DL/T 1083—2008《火力發電廠分散控制系統技術條件》規定：模擬量4～20 mA 輸出方式應至少能夠驅動回路阻抗不大于600 W的負載[2]，為了不影響帶負載能力，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AO模件正常輸出電流且負載正常時，采樣電阻上的壓降使比較電路輸出低電平；當AO模件正常輸出電流但負載斷線時，采樣電阻壓降為0 V，比較電路輸出為高電平。AO模件內置CPU監測到此電平信號并將此狀態信息上傳到過程控制站(DPU)。模件初始上電時，開關默認斷開；當模件收到DPU下發的電流輸出指令時，閉合開關，輸出對應的控制電流，可有效避免在正常過程控制中因為更換AO模件時而引起的被控設備擾動。

圖1 4～20 mA電流輸出原理框圖

2 實現方法

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，兩個獨立的AO模件電流輸出控制同一個設備(負載)。

圖2 DPU主導的冗余

圖2中，由DPU決定其中一個模件輸出控制電流信號，另外一個模件時刻處于備用狀態。當輸出控制電流信號的模件發生故障時，諸如負載斷線、DPU通信失聯等，它將把故障信息提交給DPU，同時自身停止輸出控制電流；DPU接收到故障信息后，發出指令使備用的AO模件輸出指定電流。此方法

采用兩個不同的模件控制同一個設備，冗余可靠性較高，但是切換的控制權在DPU，冗余切換的時間較長[3]。

2.2 方法2

如圖3所示，由同一個模件的不同電流輸出通道控制同一個設備，其中只有一個通道輸出電流信號，另外一個通道時刻處于備用狀態。當監測到模件輸出電流信號的通道發生故障時，將斷開此路模擬開關并停止輸出控制電流，同時在配置的另一路通道輸出對應的電流。此方法實現簡單，發生故障時冗余切換速度比較快，對設備擾動較小，但是此方法只能抵御通道損壞、負載斷線等故障，對模件級不能達到冗余要求，冗余可靠性較低。

圖3 單模件自身實現的冗余

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到負載的兩端。

圖4 雙模件實現的冗余

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；當主控模件監測到自身故障時，將取消自身的工作正常信號，同時向DPU發送故障信息；輔控模式的模件時刻監測主控模件的工作狀態信號，一旦發現此信號異常，則按接收到DPU的指令輸出電流，接管對設備的控制。此方法在故障發生時，冗余切換速度比較快，對設備擾動較小，同時采用兩塊獨立的模件實現對同一設備的控制，冗余可靠性較高，缺點在于電路設計有點復雜，成本較高。

3 結束語

上述3種冗余電流實現方法在各家DCS中都有體現，用戶可根據自身設備的實際需要選用合適的方法。

[1]王常力,羅安.分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M].北京：電子工業出版社,2016.

[2]火力發電廠分散控制系統技術條件：DL/T 1083—2008[S].

[3]王丹麟，吳勝華，馬偉東.maxDNA分散控制系統I/O模件冗余實現機制[J].華電技術，2015,37(4)：22-24.

(本文責編：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，湖北荊門人，高級工程師，工學碩士，從事分散控制系統研發設計方面的工作(E-mail:shenghua-wu@sac-valmet.com)。

田海波(1985—)，男，江蘇南京人，工程師，工學碩士，從事分散控制系統研發設計方面的工作(E-mail:haibo-tian@sac-valmet.com)。