翟士標(biāo) 唐慶暉

(上海阿自倍爾控制儀表有限公司, 201108)

技術(shù)進(jìn)步

DCS系統(tǒng)脈沖輸入模塊檢測(cè)方法的嘗試

翟士標(biāo) 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(cè)集散控制系統(tǒng)(DCS)中脈沖輸入 (PI)模塊工作狀態(tài)的方法。在沒有專用脈沖信號(hào)發(fā)生器的情況下,通過(guò)自制的脈沖檢測(cè)組件可對(duì)DCS系統(tǒng)中的 PI模塊進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試。該自制 PI模塊檢測(cè)組件使用方法簡(jiǎn)單,檢測(cè)效率高,成本低廉,可運(yùn)用于 DCS系統(tǒng) PI模塊的應(yīng)急檢測(cè)和日常維護(hù)工作中。

集散控制系統(tǒng) 脈沖輸入模塊 檢測(cè)

集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System,簡(jiǎn)稱DCS)技術(shù)的含義是分散控制集中管理,是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,是信息時(shí)代的控制技術(shù)。

DCS是面向整體,面向系統(tǒng)的控制技術(shù),目標(biāo)是整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)化控制,包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制的最優(yōu)化和綜合信息管理的最優(yōu)化。其中對(duì)各種物料的流量進(jìn)行監(jiān)視與控制是重要的一個(gè)環(huán)節(jié),一般采用的流量測(cè)量信號(hào)有兩種類型,一類是采用4～20 mA的輸入信號(hào),如差壓變送器、電磁流量計(jì)等;另一類是采用脈沖信號(hào),如渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)等。對(duì) 4～20 mA的輸入信號(hào),一般采用高電平模擬輸入模塊對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理;而對(duì)脈沖輸入信號(hào),一般采用脈沖輸入模塊 (簡(jiǎn)稱 PI模塊)對(duì)其進(jìn)行輸入處理。作為一種嘗試,本文介紹一種自制脈沖檢測(cè)組件。當(dāng)在流量監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)生故障,回路調(diào)試或判斷 PI模塊故障時(shí),可以嘗試用它來(lái)代替專用脈沖信號(hào)發(fā)生器來(lái)解決問(wèn)題。

1 PI模塊檢測(cè)原理

PI模塊是DCS系統(tǒng)控制器中的一種輸入輸出模塊。以日本山武公司的 DCS系統(tǒng)為例,每個(gè) PI模塊接收 8點(diǎn)脈沖輸入信號(hào),通常是干觸點(diǎn)信號(hào)(機(jī)械脈沖)或集電極開路輸出的脈沖信號(hào) (電脈沖),當(dāng)輸入脈沖信號(hào)電壓≥13V(DC)或?qū)?yīng)的回路電流≥12 mA時(shí)觸點(diǎn)狀態(tài)為 ON;當(dāng)輸入脈沖信號(hào)電壓≤4V(DC)或?qū)?yīng)的回路電流≤1.2 mA時(shí)觸點(diǎn)狀態(tài)為 OFF,脈沖頻率范圍為 0～5 kHz。PI模塊的電路見圖 1。

DCS系統(tǒng)在使用過(guò)程中,因環(huán)境、年限等因素,系統(tǒng)的硬件設(shè)備可能會(huì)發(fā)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(hào)回路一旦出現(xiàn)問(wèn)題,將無(wú)法正確監(jiān)測(cè)生產(chǎn)裝置的實(shí)際情況,必須及時(shí)處理故障。但控制器的輸入輸出模塊出現(xiàn)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(gè)信號(hào)通道或整個(gè)模塊壞了,這種情況下?lián)Q一個(gè)未用的信號(hào)通道或更換模塊就可以排除故障;但有時(shí)故障原因不在輸入輸出模塊本身,而是生產(chǎn)裝置現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題,如現(xiàn)場(chǎng)的變送器因自身故障、信號(hào)線斷線、端子接觸不良等情況導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信號(hào)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(xiàn)場(chǎng)變送器或重新連接信號(hào)線以排除故障。因此,發(fā)現(xiàn)輸入輸出模塊出現(xiàn)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(fā)生故障時(shí)判斷是現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題還是輸入輸出模塊的問(wèn)題,我們可以用信號(hào)發(fā)生器在輸入輸出模塊的端子上加載模擬信號(hào),如果 DCS系統(tǒng)顯示的模擬數(shù)據(jù)正確,就可以判斷不是輸入輸出模塊的問(wèn)題;反之即可判定為輸入輸出模塊出現(xiàn)了問(wèn)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(tǒng)進(jìn)行回路調(diào)試時(shí),也可以用信號(hào)發(fā)生器在中間接線端子上加載相應(yīng)的模擬信號(hào),對(duì)每個(gè)輸入輸出模塊進(jìn)行回路調(diào)試。

信號(hào)發(fā)生器有多種類型,有電阻箱、mV信號(hào)發(fā)生器、4-20 mA/1-5 V信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器以及多功能型信號(hào)發(fā)生器。各種信號(hào)發(fā)生器的價(jià)格也相差較大,比如多功能信號(hào)發(fā)生器和脈沖信號(hào)發(fā)生器都比較貴,一般工廠企業(yè)里不一定將各類信號(hào)發(fā)生器都備齊。如果在 DCS使用過(guò)程中需要判斷 PI模塊是否有問(wèn)題,或者在回路調(diào)試過(guò)程中需要對(duì)脈沖輸入回路進(jìn)行調(diào)試時(shí),沒有專用的脈沖信號(hào)發(fā)生器將影響檢測(cè)進(jìn)程順利進(jìn)行,嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致對(duì)生產(chǎn)裝置控制的失效。

2 自制 PI模塊檢測(cè)組件

2.1 自制 PI模塊檢測(cè)組件的組成

自制 PI模塊檢測(cè)組件主要由 PC機(jī)脈沖發(fā)生程序和電平匹配模塊兩個(gè)部分組成。

(1)PC機(jī)脈沖發(fā)生程序

PC機(jī)脈沖發(fā)生程序是本檢測(cè)組件的核心部分,它是在 PC機(jī)上用VisualBasic來(lái)編制的程序,其工作原理見圖 2。

圖 2 脈沖發(fā)生 VB程序流程

脈沖發(fā)生 VB程序具體的編制方法是:使用標(biāo)準(zhǔn)的串口通信控件MsComm,安排若干定時(shí)器以連續(xù)發(fā)送,用適當(dāng)?shù)淖址脱h(huán)得到適當(dāng)?shù)念l率,選擇適當(dāng)?shù)牟ㄌ芈室赃m應(yīng)頻率的高低。以下為 20 Hz時(shí)的VB程序源代碼:

編制其他頻率的VB程序時(shí)的一些設(shè)定參數(shù)見表 1。

表 1 編制 VB程序時(shí)的設(shè)定參數(shù)

(2)電平匹配模塊

由于脈沖發(fā)生程序是通過(guò) PC機(jī)的 RS232通信口送出去的,其信號(hào)是邏輯 1為 -3～-15 V,邏輯 0為 +3～+15 V。而 PI模塊的輸入信號(hào)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(jī)的RS232通信口送出去的信號(hào)電平與 PI模塊的輸入信號(hào)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(cè)組件的使用

自制 PI模塊檢測(cè)組件的實(shí)際使用較為簡(jiǎn)單。當(dāng)DCS系統(tǒng)某路監(jiān)控狀態(tài)發(fā)生異常而懷疑故障原因?yàn)?PI模塊故障時(shí),首先將自制 PI模塊檢測(cè)組件 (PC機(jī)、電平匹配模塊)與 DCS系統(tǒng)的相關(guān)PI模塊連接起來(lái),即:將裝有脈沖發(fā)生程序的 PC機(jī)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(tǒng) PI模塊的輸入端連接。例如測(cè)試山武 DCS系統(tǒng)某 PI模塊的第 1通道時(shí),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(cè)組件的軟件操作顯示界面 (圖 4)中選定輸出信號(hào)條件,順序選擇 PC的串行端口號(hào) (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(hào)。該脈沖信號(hào)為單通道無(wú)源共地輸出,可連續(xù)輸出。

通過(guò)上述設(shè)定后,自制 PI模塊檢測(cè)組件即已開始模擬信號(hào)的輸出,通過(guò)檢查 DCS監(jiān)控界面的反饋信號(hào)即可完成該 PI模塊工作狀態(tài)的檢測(cè)任務(wù)。

同樣,DCS系統(tǒng) PI模塊的日常維護(hù)檢測(cè)也可以用上述方法進(jìn)行。

圖 4 頻率選擇顯示界面的示意圖

2.3 自制 PI模塊檢測(cè)組件的特點(diǎn)

(1)測(cè)量精度高

自制 PI模塊檢測(cè)組件測(cè)試精度高,測(cè)量精度達(dá)到專用信號(hào)發(fā)生器的要求,符合實(shí)際使用需要。在溫度 28℃、濕度 48%的環(huán)境下對(duì)自制 PI模塊檢測(cè)組件用 OVAL脈沖檢測(cè)器 PC2201(產(chǎn)品序列號(hào) SD0761,經(jīng)上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院檢驗(yàn)通過(guò),登記號(hào):120090304F30-0002)進(jìn)行精度測(cè)試。將自制 PI模塊檢測(cè)組件發(fā)出的各種頻率的脈沖信號(hào)加載到 OVAL脈沖檢測(cè)器 PC2201的信號(hào)輸入端,在 OVAL脈沖檢測(cè)器的顯示屏上顯示這些頻率值,顯示頻率與設(shè)定的理論頻率相對(duì)比以檢驗(yàn)其準(zhǔn)確度,測(cè)試結(jié)果見表 2。

表 2 PI模塊檢測(cè)組件的精度測(cè)試結(jié)果

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

(2)使用的方便性

普通的多功能信號(hào)發(fā)生器的輸出脈沖信號(hào)無(wú)法驅(qū)動(dòng)一般 DCS系統(tǒng) PI模塊中輸入回路的光電偶合器。而專用脈沖信號(hào)發(fā)生器,如 OVAL的脈沖檢測(cè)器 PC2201,面板上有 6個(gè)多檔旋鈕和 4個(gè)按鈕,設(shè)置相對(duì)復(fù)雜,并且需要 110 V交流電源或者 6節(jié) 3V的鎳鎘電池。本文介紹的自制 PI模塊檢測(cè)組件,只要一臺(tái)普通電腦裝上預(yù)先編制好的脈沖發(fā)生程序和預(yù)先制作好的電平匹配模塊,直接連接到 DCS系統(tǒng)的 PI模塊就可進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)試,操作直觀清晰。

(3)經(jīng)濟(jì)實(shí)用性

專用的脈沖信號(hào)發(fā)生器功能單一且價(jià)格昂貴,如僅購(gòu)置一臺(tái) OVAL脈沖檢測(cè)器 PC2201就需 2～3萬(wàn)元。而自制 PI模塊檢測(cè)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(guò) 100元;軟件部分可以利用企業(yè)現(xiàn)有的工作電腦 (需有 RS232接口)裝上脈沖發(fā)生程序即可滿足日常的檢測(cè)要求。

3 結(jié)論

綜上所述,本文介紹的自制 PI模塊檢測(cè)組件使用方法簡(jiǎn)單,檢測(cè)效率高,成本低廉,精度在理想范圍之內(nèi)。同時(shí),自制 PI模塊檢測(cè)組件的輸出為集電極開路型,可模擬渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電量表等現(xiàn)場(chǎng)的電氣儀表的輸出信號(hào)。在沒有專用脈沖信號(hào)發(fā)生器或日常維護(hù)檢查等非計(jì)量目的的設(shè)備檢測(cè)時(shí)可利用此方法對(duì) PI模塊進(jìn)行快速測(cè)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(biāo),男,1959年 12月出生,1983年畢業(yè)于華東化工學(xué)院分院化工自動(dòng)化及儀表專業(yè),工程師,長(zhǎng)期從事DCS系統(tǒng)的工作。