模擬量輸入信號(hào)斷線-短路故障檢測(cè)及處理

1、模擬量輸入信號(hào)斷線-短路故障檢測(cè)及處理化工自動(dòng)化及儀表第38卷模擬量輸入信號(hào)斷線/短路故障檢測(cè)及處理劉寧金晶鄭望(西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司自動(dòng)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(diǎn)以及在現(xiàn)場(chǎng)電拖軸流壓縮機(jī),汽拖軸流壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的試驗(yàn)結(jié)果,研究了控制系統(tǒng)模擬量輸入信號(hào)的斷線/短路故障檢測(cè)及處理方法,降低了控制系統(tǒng)誤報(bào)警或者誤保護(hù)和壓縮機(jī)誤停機(jī)概率.關(guān)鍵詞模擬量輸入模塊斷/短路故障檢測(cè)誤停機(jī)系統(tǒng)字中圖分類號(hào)TP207文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B文章編號(hào)1000-3932(2011)05-0586-04壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性是高爐煉鐵質(zhì)量的重要保證,壓縮機(jī)出現(xiàn)非正常停

2、機(jī),如果處理不及時(shí),會(huì)對(duì)鋼廠造成重大經(jīng)濟(jì)損失.變送器作為控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),在鋼廠高振動(dòng),高干擾現(xiàn)場(chǎng)條件下,出現(xiàn)斷線或者短路故障時(shí)有發(fā)生,由此造成的壓縮機(jī)誤停機(jī)也時(shí)常發(fā)生,如果不采取一定的保護(hù)措施,會(huì)影響壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行,進(jìn)而影響高爐裝置的安全生產(chǎn).因此,對(duì)系統(tǒng)斷線/短路等故障的檢測(cè)及進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式信號(hào).以西門子16位AI模塊為例,將接收到的420mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為O27648范圍的十進(jìn)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(hào)會(huì)超出420mA,此時(shí)的系統(tǒng)字會(huì)超

3、出027648,可以利用AI模塊的這一特點(diǎn)進(jìn)行斷線/短路故障檢測(cè).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(shí)AI模塊輸出的系統(tǒng)字不同,因此針對(duì)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(hào)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(hào)線或者斷線時(shí),AI模塊輸入電流為0;當(dāng)變送器短路時(shí),AI模塊接收的電流信號(hào)大于20mA.現(xiàn)場(chǎng)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(jī)控制系統(tǒng)的三線制接線主要用于熱電阻測(cè)溫,故以PT1O0為例進(jìn)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(cè)溫信號(hào)一般通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,所以對(duì)此類輸出系統(tǒng)字進(jìn)行分析時(shí)可以將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行分析.當(dāng)B或者b斷線時(shí),AI模塊接收電壓信號(hào)為0;當(dāng)A斷線時(shí),AI模塊接收電壓信號(hào)等于電源電壓;而當(dāng)PT100短路時(shí),AI模塊接收電壓信號(hào)為0.;:tF-臻豳現(xiàn)場(chǎng).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(hào)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(hào)斷線/短路故障檢測(cè)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(dú)立于AI模塊),或者信號(hào)線,斷線或者,短路時(shí),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(chǎng):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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成的十進(jìn)制系統(tǒng)字為027648.在允許檢測(cè)條件下最大系統(tǒng)字為32767,對(duì)應(yīng)電流值為22.96mA;當(dāng)輸入電流為1.185mA時(shí),對(duì)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(shí),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(shí),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(shí),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(hào)類似,

8、當(dāng)電壓信號(hào)小于0.296V(超出量程范圍一17.6%)時(shí),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(hào)大于5.704V(超出量程范圍+17.6%)時(shí),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(hào)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(duì)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(jī)系統(tǒng)斷線/短路故障檢測(cè)及處理時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待.變送器二,三及四線制接線方式時(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行斷線/短路故障檢測(cè)及處理,減少因斷線及短路造成的壓縮機(jī)系統(tǒng)誤停機(jī),提高壓縮機(jī)控制穩(wěn)定性,以上分析結(jié)果應(yīng)該經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證.2斷線/短路故障試驗(yàn)結(jié)果整個(gè)試驗(yàn)在山西某鋼鐵廠電拖軸流壓縮機(jī)控制系統(tǒng)以及陜西某鋼鐵集團(tuán)汽拖軸流壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行,前者AI模塊型號(hào)為1616Bit(6ES74317QH00-OAB0),RI模塊型號(hào)為816BitRTD(6ES7431.7KFIO-OAB0);后者AI模塊型號(hào)為l6x16Bit(6ES73317KF02-0AB0),RI模塊型號(hào)為816BitRTD(6ES73317PFO00AB0).

10、試驗(yàn)結(jié)588化上自動(dòng)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(yàn)結(jié)果袁4陜西某鋼鐵集團(tuán)汽拖軸流控制系統(tǒng)(300系列AI)斷線/短路故障試驗(yàn)結(jié)果比較表3,4的試驗(yàn)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(shí),AI模塊輸出十進(jìn)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(cè)及處理時(shí)可以利用系統(tǒng)的這一特點(diǎn).3斷線/短路故障檢測(cè)與處理方法目前針對(duì)電流量系統(tǒng)斷線/短路故障的一般檢測(cè)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(shí),認(rèn)為接線出現(xiàn)故障,即進(jìn)行故障報(bào)警或故障保護(hù),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(yùn)行一段時(shí)間后,傳感器輸出的420mA信號(hào)可能偏離原來值,出現(xiàn)小于4mA或者大于20mA的情況,此時(shí)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)警或者誤保護(hù),影響正常運(yùn)行,同時(shí)也誤導(dǎo)相關(guān)操作人員,降低操作人員對(duì)系統(tǒng)故障提示功能的信任度.一種改進(jìn)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(duì)于一50030000,對(duì)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(bào)警或者誤保護(hù).根據(jù)西門子AI模塊輸出系統(tǒng)字的特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,其斷線/短路故障的檢測(cè)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(jìn)行報(bào)警或者保護(hù).這種處理方式考慮了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后變送器輸出信號(hào)的偏離情況,也充分運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)誤報(bào)警或者誤保護(hù)概率,提高系統(tǒng)可靠性.壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中,各種檢測(cè)變量的作用不同,有些參與壓縮機(jī)的停機(jī)控制,有些只用于監(jiān)測(cè).據(jù)此可以對(duì)不同的檢測(cè)變量分別進(jìn)行故障處理.對(duì)于參與壓縮機(jī)停機(jī)控制的檢測(cè)變量,變送器出現(xiàn)斷線或者短路故障時(shí),進(jìn)行故障保護(hù)(保持故障前值,避

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

14、護(hù)是減少壓縮機(jī)誤停機(jī)的一種可行方法,對(duì)保證控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義.結(jié)合控制系統(tǒng)的診斷信息,對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)壓縮機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社.2006.(下轉(zhuǎn)第620頁(yè))化工自動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度與線芯的關(guān)系表,工程設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作中需根據(jù)儀表的實(shí)際參數(shù),可參考表中的數(shù)據(jù)或自行計(jì)算.對(duì)于本安回路,電纜的最大敷設(shè)長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度小于7km,因此工程中的電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度按表4中的數(shù)據(jù)參照即可.另外,由于不同型號(hào)齊納柵和隔離柵對(duì)外部工作電容與分布電感要求不同,在實(shí)際工作中請(qǐng)根據(jù)儀表的實(shí)際參數(shù)計(jì)算.3結(jié)束語(yǔ)筆者重點(diǎn)討論了典型儀表回路對(duì)電纜電阻的限制和電纜線芯截面積與敷設(shè)長(zhǎng)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(zhǎng)度與線芯的關(guān)系表,供工程設(shè)計(jì)人員參考.如果實(shí)際工作中使用的儀表參數(shù)與表中參數(shù)不符,請(qǐng)根據(jù)本文提供的計(jì)算方法計(jì)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(cè)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(yè))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(yè))R$485一basedTemperatureDataSystemforTDCuringOyenFENGMej,SUNLiangqin.ZHENGMin(InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)AbstractThedesignofRS485serialco