模拟量输入信号断线-短路故障检测及处理

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1、模拟量输入信号断线-短路故障检测及处理化工自动化及仪表第38卷模拟量输入信号断线/短路故障检测及处理刘宁金晶郑望(西安陕鼓动力股份有限公司自动化技术部,西安710075)摘要从变送器的接线方式出发,结合西门子模拟量输入模块的特点以及在现场电拖轴流压缩机,汽拖轴流压缩机控制系统中的试验结果,研究了控制系统模拟量输入信号的断线/短路故障检测及处理方法,降低了控制系统误报警或者误保护和压缩机误停机概率.关键词模拟量输入模块断/短路故障检测误停机系统字中图分类号TP207文献标识码B文章编号1000-3932(2011)05-0586-04压缩机运行的稳定性是高炉炼铁质量的重要保证,压缩机出现非正常停

2、机,如果处理不及时,会对钢厂造成重大经济损失.变送器作为控制及监测系统的基础,在钢厂高振动,高干扰现场条件下,出现断线或者短路故障时有发生,由此造成的压缩机误停机也时常发生,如果不采取一定的保护措施,会影响压缩机控制系统的正常运行,进而影响高炉装置的安全生产.因此,对系统断线/短路等故障的检测及进行相应的处理很有必要.模拟量输入(AnalogyInput,AI)模块将接收到的模拟过程信号转化为数字格式信号.以西门子16位AI模块为例,将接收到的420mA的电流信号转换为O27648范围的十进制系统字,如果变送器出现断线或者短路故障,那么AI模块接收到的电流信号会超出420mA,此时的系统字会超

3、出027648,可以利用AI模块的这一特点进行断线/短路故障检测.1断线/短路故障分析由于变送器的接线方式分为二线制,三线制以及四线制,出现断线或者短路故障时AI模块输出的系统字不同,因此针对断线或者短路故障的讨论可以分为以下3种.1.1二线制接线形式二线制变送器有两根外部接线,它们既是电源线,也是信号线,输出420mA电流,DC24V电源串接在回路中.二线制接线方式如图1所示,其中TC为AI模块中间处理及模数转换单元.如果变送器两端信号线或者断线时,AI模块输入电流为0;当变送器短路时,AI模块接收的电流信号大于20mA.现场一族输出系统字图1二线制接法下AI模块输出系统字1.2三线制接线形

4、式由于压缩机控制系统的三线制接线主要用于热电阻测温,故以PT1O0为例进行讨论.热电阻三线制接线方式如图2所示,其中TC为AI模块中间处理及模数转换单元.由于电阻测温信号一般通过电桥转换成电压信号进行测量,所以对此类输出系统字进行分析时可以将电阻信号转换成电压信号进行分析.当B或者b断线时,AI模块接收电压信号为0;当A断线时,AI模块接收电压信号等于电源电压;而当PT100短路时,AI模块接收电压信号为0.;:tF-臻豳现场.i一族输出系统字图2热电阻三线制接法下AI模块出系统字1.3四线制接线形式四线制变送器有两根信号线和两根电源线,四线制接线方式如图3所示,其中TC为AI模块收稿日期:2

5、011-01-07_1一路一一:短一塑常线第5期刘宁等.模拟量输入信号断线/短路故障检测及处理587中间处理及模数转换单元.当变送器电源线(或独立于AI模块),或者信号线,断线或者,短路时,AI模块输入电流均为0.薹叠整星Ce十<O.2960.296VL;一75.704VI>5.7041-3276848640-27648325l1:32767.:<O.2960.296V15V5.7O4V1)5.704327674864O一276483251l32767图5西门子300/400系列16位AI模块现场:一输出系统字输入电压与输出系统字转换关系图3四线制接法下AI模块输出系统字1.

6、4西门子300/400系列对于电流型传感器,300系列的l6位AI模块将输入420mA(量程范围0100%)信号转换成的十进制系统字为027648.在允许检测条件下最大系统字为32767,对应电流值为22.96mA;当输入电流为1.185mA时,对应系统字为一4864.当输入电流大于21.81mA(超出量程范围+17.6%)时,输出系统字为32767;当输入电流小于1.185mA(超出量程范围一17.6%)时,系统字为一32768.而400系列的l6位AI模块,输入电流大于21.81mA(超出量程范围+17.6%)或者小于I.185mA(超出量程范围一17.6%)时,系统字均为32767.西门

7、子300/400系列l6位AI模块输入电流与输出系统字转换关系如图4所示(1.18522.81mA区间内,AI模块的输出系统字与电流成线性关系).0000:<1.185.1185mA厂;:;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溢图4西门子300/400系列16位AI模块输入电流与输出系统字转换关系图5所示为西门子300/400系列l6位AI模块输入电压与输出系统字转换关系.与处理电流信号类似,

8、当电压信号小于0.296V(超出量程范围一17.6%)时,300系列AI模块输出系统字为一3276g,而400系列AI模块输出系统字为32767;当电压信号大于5.704V(超出量程范围+17.6%)时,两种AI模块输出系统字均为32767;且0.2965.704V范围内,电压信号与输出系统字成线性关系.根据以上分析,变送器接线方式不同,模拟量处理方式也不尽一样,对于西门子300/400系列AI模块内部处理方式不完全相同,所以在做压缩机系统断线/短路故障检测及处理时应区别对待.变送器二,三及四线制接线方式时断线/短路故障西门子300/400系列AI模块输出的系统字分别n凡表1,2表1300系列

9、AI模块输出系统字表2400系列AI模块输出系统字为了更合理地对系统进行断线/短路故障检测及处理,减少因断线及短路造成的压缩机系统误停机,提高压缩机控制稳定性,以上分析结果应该经过现场试验验证.2断线/短路故障试验结果整个试验在山西某钢铁厂电拖轴流压缩机控制系统以及陕西某钢铁集团汽拖轴流压缩机控制系统中进行,前者AI模块型号为1616Bit(6ES74317QH00-OAB0),RI模块型号为816BitRTD(6ES7431.7KFIO-OAB0);后者AI模块型号为l6x16Bit(6ES73317KF02-0AB0),RI模块型号为816BitRTD(6ES73317PFO00AB0).

10、试验结588化上自动化及仪表第38卷果分别见表3,4.表3山西某钢铁厂电拖轴流控制系统(400系列AI)断线/短路故障试验结果袁4陕西某钢铁集团汽拖轴流控制系统(300系列AI)断线/短路故障试验结果比较表3,4的试验结果和表1,2的分析结果,基本一致,由此可知,西门子300/400系列AI模块内部处理不尽相同,但是在出现故障时,AI模块输出十进制系统字均为极值(32767或者一32768),所以在做断线/短路故障检测及处理时可以利用系统的这一特点.3断线/短路故障检测与处理方法目前针对电流量系统断线/短路故障的一般检测方法是判断AI模块的输出系统字是否超出量程,即判断是否超出027648.当

11、系统字小于0或者大于27648时,认为接线出现故障,即进行故障报警或故障保护,并提示相关操作人员检查线路.但是,这种处理方式欠妥,即当系统运行一段时间后,传感器输出的420mA信号可能偏离原来值,出现小于4mA或者大于20mA的情况,此时系统会出现误报警或者误保护,影响正常运行,同时也误导相关操作人员,降低操作人员对系统故障提示功能的信任度.一种改进方法是在027648两端分别延伸一段系统字,例如一50030000.这种处理方式也存在不足之处,即在027648两端延伸多少系统字才合适,难以量化.对于一50030000,对应电流变化范围为3.7l一21.36mA(一1.8%8.5%),这与420

12、mA很接近,也容易产生误报警或者误保护.根据西门子AI模块输出系统字的特点以及现场试验结果,其断线/短路故障的检测方法是判断系统字是否等于32767或者一32768,若满足条件,系统即进行报警或者保护.这种处理方式考虑了系统长时间运行后变送器输出信号的偏离情况,也充分运用了西门子AI模块内部的断线/短路故障处理方法,这样降低了压缩机控制系统误报警或者误保护概率,提高系统可靠性.压缩机控制系统中,各种检测变量的作用不同,有些参与压缩机的停机控制,有些只用于监测.据此可以对不同的检测变量分别进行故障处理.对于参与压缩机停机控制的检测变量,变送器出现断线或者短路故障时,进行故障保护(保持故障前值,避

13、免系统误停机)且报警(上位及报警器报警,提示相关人员检修);其他不参与压缩机停机控制的变量,可以只进行故障报警.表5给出某钢铁厂电拖轴流压缩机控制系统中需要进行故障保护的检测变量及选择原因,其他诸如润滑油供油压力,风机轴振动及轴位移等是由AI模块接收的数字信号参与压缩机停机控制,不在此故障检测及处理范围.表5某钢铁厂压缩机控制系统进行故障保护设计的检测变量序号故障保护变量原因1风机喉部差压参与风机喘振控制,可能引起停机2风机排气压力参与风机喘振控制,可能引起停机3电机定子温度参与风机停机控制4风机,电机,齿轮参与风机停机控制箱轴承温度4结束语通过以上分析及现场结果,信号断线/短路故障报警或者保

14、护是减少压缩机误停机的一种可行方法,对保证控制系统的安全运行具有重要意义.结合控制系统的诊断信息,对实现整个压缩机控制系统智能故障排查具有指导意义.参考文献1王再英,刘淮霞,陈毅静.过程控制系统与仪表M.北京:机械工业出版社.2006.(下转第620页)化工自动化及仪表第38卷表5常见开关量回路(额定电压24V继电器隔离)电缆最大敷设长度与线芯截面关系m表6常见仪表供电回路(电源电压24V)电缆最大敷设长度与线芯截面关系m表26只是部分常用仪表的电缆最大敷设长度与线芯的关系表,工程设计人员在实际工作中需根据仪表的实际参数,可参考表中的数据或自行计算.对于本安回路,电缆的最大敷设长度还应考虑工作

15、电容与分布电感.如带隔离栅KFD2一STC3.Exl的420mA本安回路,隔离栅要求外部工作电容小于0.106F,外部分布电感小于4.2mH,工程选用截面积1.0mm的电缆,其工作电容为70pF/m,分布电感为0.6pH/m.则工作电容和分布电感要求电缆的最大敷设长度为7km.由表4可知,隔离栅回路中截面积为1.0mm.电缆的最大敷设长度小于7km,因此工程中的电缆最大敷设长度按表4中的数据参照即可.另外,由于不同型号齐纳栅和隔离栅对外部工作电容与分布电感要求不同,在实际工作中请根据仪表的实际参数计算.3结束语笔者重点讨论了典型仪表回路对电缆电阻的限制和电缆线芯截面积与敷设长度的数学关系,并给

16、出了部分常用仪表最大电缆敷设长度与线芯的关系表,供工程设计人员参考.如果实际工作中使用的仪表参数与表中参数不符,请根据本文提供的计算方法计算,以保证仪表回路正常工作.参考文献1陈忧先,左锋,董爱华等.化工测量及仪表M.第3版.北京:化学工业出版社,2010:182185.(上接第588页)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页)R$485一basedTemperatureDataSystemforTDCuringOyenFENGMej,SUNLiangqin.ZHENGMin(InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)AbstractThedesig

19、nofRS485serialcommunicationbaseddatasystemfortemperaturemeasurementvalue,setvalueandalarmvaluewasintroduced,includingthehardwarestructure,modulesconnection,communica.tlonprocess,communicationsettingandPLCprogram.Keywordscuringovencontrolsystem,temperaturemeasurement,RS485interface,serialcommunication