模擬量輸入信號斷線-短路故障檢測及處理

1、模擬量輸入信號斷線-短路故障檢測及處理化工自動化及儀表第38卷模擬量輸入信號斷線/短路故障檢測及處理劉寧金晶鄭望(西安陜鼓動力股份有限公司自動化技術(shù)部,西安710075)摘要從變送器的接線方式出發(fā),結(jié)合西門子模擬量輸入模塊的特點以及在現(xiàn)場電拖軸流壓縮機,汽拖軸流壓縮機控制系統(tǒng)中的試驗結(jié)果,研究了控制系統(tǒng)模擬量輸入信號的斷線/短路故障檢測及處理方法,降低了控制系統(tǒng)誤報警或者誤保護和壓縮機誤停機概率.關(guān)鍵詞模擬量輸入模塊斷/短路故障檢測誤停機系統(tǒng)字中圖分類號TP207文獻(xiàn)標(biāo)識碼B文章編號1000-3932(2011)05-0586-04壓縮機運行的穩(wěn)定性是高爐煉鐵質(zhì)量的重要保證,壓縮機出現(xiàn)非正常停

2、機,如果處理不及時,會對鋼廠造成重大經(jīng)濟損失.變送器作為控制及監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ),在鋼廠高振動,高干擾現(xiàn)場條件下,出現(xiàn)斷線或者短路故障時有發(fā)生,由此造成的壓縮機誤停機也時常發(fā)生,如果不采取一定的保護措施,會影響壓縮機控制系統(tǒng)的正常運行,進而影響高爐裝置的安全生產(chǎn).因此,對系統(tǒng)斷線/短路等故障的檢測及進行相應(yīng)的處理很有必要.模擬量輸入(AnalogyInput,AI)模塊將接收到的模擬過程信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式信號.以西門子16位AI模塊為例,將接收到的420mA的電流信號轉(zhuǎn)換為O27648范圍的十進制系統(tǒng)字,如果變送器出現(xiàn)斷線或者短路故障,那么AI模塊接收到的電流信號會超出420mA,此時的系統(tǒng)字會超

3、出027648,可以利用AI模塊的這一特點進行斷線/短路故障檢測.1斷線/短路故障分析由于變送器的接線方式分為二線制,三線制以及四線制,出現(xiàn)斷線或者短路故障時AI模塊輸出的系統(tǒng)字不同,因此針對斷線或者短路故障的討論可以分為以下3種.1.1二線制接線形式二線制變送器有兩根外部接線,它們既是電源線,也是信號線,輸出420mA電流,DC24V電源串接在回路中.二線制接線方式如圖1所示,其中TC為AI模塊中間處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元.如果變送器兩端信號線或者斷線時,AI模塊輸入電流為0;當(dāng)變送器短路時,AI模塊接收的電流信號大于20mA.現(xiàn)場一族輸出系統(tǒng)字圖1二線制接法下AI模塊輸出系統(tǒng)字1.2三線制接線形

4、式由于壓縮機控制系統(tǒng)的三線制接線主要用于熱電阻測溫,故以PT1O0為例進行討論.熱電阻三線制接線方式如圖2所示,其中TC為AI模塊中間處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元.由于電阻測溫信號一般通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓信號進行測量,所以對此類輸出系統(tǒng)字進行分析時可以將電阻信號轉(zhuǎn)換成電壓信號進行分析.當(dāng)B或者b斷線時,AI模塊接收電壓信號為0;當(dāng)A斷線時,AI模塊接收電壓信號等于電源電壓;而當(dāng)PT100短路時,AI模塊接收電壓信號為0.;:tF-臻豳現(xiàn)場.i一族輸出系統(tǒng)字圖2熱電阻三線制接法下AI模塊出系統(tǒng)字1.3四線制接線形式四線制變送器有兩根信號線和兩根電源線,四線制接線方式如圖3所示,其中TC為AI模塊收稿日期:2

5、011-01-07_1一路一一:短一塑常線第5期劉寧等.模擬量輸入信號斷線/短路故障檢測及處理587中間處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元.當(dāng)變送器電源線(或獨立于AI模塊),或者信號線,斷線或者,短路時,AI模塊輸入電流均為0.薹疊整星Ce十<O.2960.296VL;一75.704VI>5.7041-3276848640-27648325l1:32767.:<O.2960.296V15V5.7O4V1)5.704327674864O一276483251l32767圖5西門子300/400系列16位AI模塊現(xiàn)場:一輸出系統(tǒng)字輸入電壓與輸出系統(tǒng)字轉(zhuǎn)換關(guān)系圖3四線制接法下AI模塊輸出系統(tǒng)字1.

6、4西門子300/400系列對于電流型傳感器,300系列的l6位AI模塊將輸入420mA(量程范圍0100%)信號轉(zhuǎn)換成的十進制系統(tǒng)字為027648.在允許檢測條件下最大系統(tǒng)字為32767,對應(yīng)電流值為22.96mA;當(dāng)輸入電流為1.185mA時,對應(yīng)系統(tǒng)字為一4864.當(dāng)輸入電流大于21.81mA(超出量程范圍+17.6%)時,輸出系統(tǒng)字為32767;當(dāng)輸入電流小于1.185mA(超出量程范圍一17.6%)時,系統(tǒng)字為一32768.而400系列的l6位AI模塊,輸入電流大于21.81mA(超出量程范圍+17.6%)或者小于I.185mA(超出量程范圍一17.6%)時,系統(tǒng)字均為32767.西門

7、子300/400系列l(wèi)6位AI模塊輸入電流與輸出系統(tǒng)字轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示(1.18522.81mA區(qū)間內(nèi),AI模塊的輸出系統(tǒng)字與電流成線性關(guān)系).0000:<1.185.1185mA廠;:;j一22.81mA1)22.81:l一32768一4864O一27648325ll:32767:一.:<1.185.1.185mA420mA22.8】mA:,R1:32767-4864027648325ll:32767:一下溢I溢圖4西門子300/400系列16位AI模塊輸入電流與輸出系統(tǒng)字轉(zhuǎn)換關(guān)系圖5所示為西門子300/400系列l(wèi)6位AI模塊輸入電壓與輸出系統(tǒng)字轉(zhuǎn)換關(guān)系.與處理電流信號類似,

8、當(dāng)電壓信號小于0.296V(超出量程范圍一17.6%)時,300系列AI模塊輸出系統(tǒng)字為一3276g,而400系列AI模塊輸出系統(tǒng)字為32767;當(dāng)電壓信號大于5.704V(超出量程范圍+17.6%)時,兩種AI模塊輸出系統(tǒng)字均為32767;且0.2965.704V范圍內(nèi),電壓信號與輸出系統(tǒng)字成線性關(guān)系.根據(jù)以上分析,變送器接線方式不同,模擬量處理方式也不盡一樣,對于西門子300/400系列AI模塊內(nèi)部處理方式不完全相同,所以在做壓縮機系統(tǒng)斷線/短路故障檢測及處理時應(yīng)區(qū)別對待.變送器二,三及四線制接線方式時斷線/短路故障西門子300/400系列AI模塊輸出的系統(tǒng)字分別n凡表1,2表1300系列

9、AI模塊輸出系統(tǒng)字表2400系列AI模塊輸出系統(tǒng)字為了更合理地對系統(tǒng)進行斷線/短路故障檢測及處理,減少因斷線及短路造成的壓縮機系統(tǒng)誤停機,提高壓縮機控制穩(wěn)定性,以上分析結(jié)果應(yīng)該經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證.2斷線/短路故障試驗結(jié)果整個試驗在山西某鋼鐵廠電拖軸流壓縮機控制系統(tǒng)以及陜西某鋼鐵集團汽拖軸流壓縮機控制系統(tǒng)中進行,前者AI模塊型號為1616Bit(6ES74317QH00-OAB0),RI模塊型號為816BitRTD(6ES7431.7KFIO-OAB0);后者AI模塊型號為l6x16Bit(6ES73317KF02-0AB0),RI模塊型號為816BitRTD(6ES73317PFO00AB0).

10、試驗結(jié)588化上自動化及儀表第38卷果分別見表3,4.表3山西某鋼鐵廠電拖軸流控制系統(tǒng)(400系列AI)斷線/短路故障試驗結(jié)果袁4陜西某鋼鐵集團汽拖軸流控制系統(tǒng)(300系列AI)斷線/短路故障試驗結(jié)果比較表3,4的試驗結(jié)果和表1,2的分析結(jié)果,基本一致,由此可知,西門子300/400系列AI模塊內(nèi)部處理不盡相同,但是在出現(xiàn)故障時,AI模塊輸出十進制系統(tǒng)字均為極值(32767或者一32768),所以在做斷線/短路故障檢測及處理時可以利用系統(tǒng)的這一特點.3斷線/短路故障檢測與處理方法目前針對電流量系統(tǒng)斷線/短路故障的一般檢測方法是判斷AI模塊的輸出系統(tǒng)字是否超出量程,即判斷是否超出027648.當(dāng)

11、系統(tǒng)字小于0或者大于27648時,認(rèn)為接線出現(xiàn)故障,即進行故障報警或故障保護,并提示相關(guān)操作人員檢查線路.但是,這種處理方式欠妥,即當(dāng)系統(tǒng)運行一段時間后,傳感器輸出的420mA信號可能偏離原來值,出現(xiàn)小于4mA或者大于20mA的情況,此時系統(tǒng)會出現(xiàn)誤報警或者誤保護,影響正常運行,同時也誤導(dǎo)相關(guān)操作人員,降低操作人員對系統(tǒng)故障提示功能的信任度.一種改進方法是在027648兩端分別延伸一段系統(tǒng)字,例如一50030000.這種處理方式也存在不足之處,即在027648兩端延伸多少系統(tǒng)字才合適,難以量化.對于一50030000,對應(yīng)電流變化范圍為3.7l一21.36mA(一1.8%8.5%),這與420

12、mA很接近,也容易產(chǎn)生誤報警或者誤保護.根據(jù)西門子AI模塊輸出系統(tǒng)字的特點以及現(xiàn)場試驗結(jié)果,其斷線/短路故障的檢測方法是判斷系統(tǒng)字是否等于32767或者一32768,若滿足條件,系統(tǒng)即進行報警或者保護.這種處理方式考慮了系統(tǒng)長時間運行后變送器輸出信號的偏離情況,也充分運用了西門子AI模塊內(nèi)部的斷線/短路故障處理方法,這樣降低了壓縮機控制系統(tǒng)誤報警或者誤保護概率,提高系統(tǒng)可靠性.壓縮機控制系統(tǒng)中,各種檢測變量的作用不同,有些參與壓縮機的停機控制,有些只用于監(jiān)測.據(jù)此可以對不同的檢測變量分別進行故障處理.對于參與壓縮機停機控制的檢測變量,變送器出現(xiàn)斷線或者短路故障時,進行故障保護(保持故障前值,避

13、免系統(tǒng)誤停機)且報警(上位及報警器報警,提示相關(guān)人員檢修);其他不參與壓縮機停機控制的變量,可以只進行故障報警.表5給出某鋼鐵廠電拖軸流壓縮機控制系統(tǒng)中需要進行故障保護的檢測變量及選擇原因,其他諸如潤滑油供油壓力,風(fēng)機軸振動及軸位移等是由AI模塊接收的數(shù)字信號參與壓縮機停機控制,不在此故障檢測及處理范圍.表5某鋼鐵廠壓縮機控制系統(tǒng)進行故障保護設(shè)計的檢測變量序號故障保護變量原因1風(fēng)機喉部差壓參與風(fēng)機喘振控制,可能引起停機2風(fēng)機排氣壓力參與風(fēng)機喘振控制,可能引起停機3電機定子溫度參與風(fēng)機停機控制4風(fēng)機,電機,齒輪參與風(fēng)機停機控制箱軸承溫度4結(jié)束語通過以上分析及現(xiàn)場結(jié)果,信號斷線/短路故障報警或者保

14、護是減少壓縮機誤停機的一種可行方法,對保證控制系統(tǒng)的安全運行具有重要意義.結(jié)合控制系統(tǒng)的診斷信息,對實現(xiàn)整個壓縮機控制系統(tǒng)智能故障排查具有指導(dǎo)意義.參考文獻(xiàn)1王再英,劉淮霞,陳毅靜.過程控制系統(tǒng)與儀表M.北京:機械工業(yè)出版社.2006.(下轉(zhuǎn)第620頁)化工自動化及儀表第38卷表5常見開關(guān)量回路(額定電壓24V繼電器隔離)電纜最大敷設(shè)長度與線芯截面關(guān)系m表6常見儀表供電回路(電源電壓24V)電纜最大敷設(shè)長度與線芯截面關(guān)系m表26只是部分常用儀表的電纜最大敷設(shè)長度與線芯的關(guān)系表,工程設(shè)計人員在實際工作中需根據(jù)儀表的實際參數(shù),可參考表中的數(shù)據(jù)或自行計算.對于本安回路,電纜的最大敷設(shè)長度還應(yīng)考慮工作

15、電容與分布電感.如帶隔離柵KFD2一STC3.Exl的420mA本安回路,隔離柵要求外部工作電容小于0.106F,外部分布電感小于4.2mH,工程選用截面積1.0mm的電纜,其工作電容為70pF/m,分布電感為0.6pH/m.則工作電容和分布電感要求電纜的最大敷設(shè)長度為7km.由表4可知,隔離柵回路中截面積為1.0mm.電纜的最大敷設(shè)長度小于7km,因此工程中的電纜最大敷設(shè)長度按表4中的數(shù)據(jù)參照即可.另外,由于不同型號齊納柵和隔離柵對外部工作電容與分布電感要求不同,在實際工作中請根據(jù)儀表的實際參數(shù)計算.3結(jié)束語筆者重點討論了典型儀表回路對電纜電阻的限制和電纜線芯截面積與敷設(shè)長度的數(shù)學(xué)關(guān)系,并給

16、出了部分常用儀表最大電纜敷設(shè)長度與線芯的關(guān)系表,供工程設(shè)計人員參考.如果實際工作中使用的儀表參數(shù)與表中參數(shù)不符,請根據(jù)本文提供的計算方法計算,以保證儀表回路正常工作.參考文獻(xiàn)1陳憂先,左鋒,董愛華等.化工測量及儀表M.第3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:182185.(上接第588頁)Short.circuitFaultsDetectionandTreatmentofAnalogSignalsLIUNing,JINJing,ZHENGWang(AutomationTechnologies,XianShaanguPowerCo.,Ltd.,Xian710075,China)AbstractC

17、onsideringthetransmitterconnectionmode,Siemensanalogueinputmodulefeaturesandtheexperimentresultsofcontrolsystemforelectricitydragaxialfansandsteamdragfans,andthedisconnection/short-circuitfaultdetectionanditstreatmentofcontrolsystemanalogsignalswereresearchedtoreducethefalsealarmsofthecontrolsystema

18、ndtheerrorstopofthecompressor.Keywordsanaloginputmode,disconnection/shortcircuitfaultsdetection,errorstop,systemword(上接第609頁)R$485一basedTemperatureDataSystemforTDCuringOyenFENGMej,SUNLiangqin.ZHENGMin(InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)AbstractThedesignofRS485serialco