DCS系统脉冲输入模块检测方法的尝试

翟士标 唐庆晖

(上海阿自倍尔控制仪表有限公司, 201108)

技术进步

DCS系统脉冲输入模块检测方法的尝试

翟士标 唐庆晖

(上海阿自倍尔控制仪表有限公司, 201108)

介绍了一种用于检测集散控制系统(DCS)中脉冲输入 (PI)模块工作状态的方法。在没有专用脉冲信号发生器的情况下,通过自制的脉冲检测组件可对DCS系统中的 PI模块进行状态测试。该自制 PI模块检测组件使用方法简单,检测效率高,成本低廉,可运用于 DCS系统 PI模块的应急检测和日常维护工作中。

集散控制系统 脉冲输入模块 检测

集散控制系统 (Distributed Control System,简称DCS)技术的含义是分散控制集中管理,是计算机技术、数字通讯技术和现代控制技术结合的产物,是信息时代的控制技术。

DCS是面向整体,面向系统的控制技术,目标是整个系统的最优化控制,包括现场实时控制的最优化和综合信息管理的最优化。其中对各种物料的流量进行监视与控制是重要的一个环节,一般采用的流量测量信号有两种类型,一类是采用4～20 mA的输入信号,如差压变送器、电磁流量计等;另一类是采用脉冲信号,如涡轮流量计、涡街流量计等。对 4～20 mA的输入信号,一般采用高电平模拟输入模块对其进行信号处理;而对脉冲输入信号,一般采用脉冲输入模块 (简称 PI模块)对其进行输入处理。作为一种尝试,本文介绍一种自制脉冲检测组件。当在流量监测设备发生故障,回路调试或判断 PI模块故障时,可以尝试用它来代替专用脉冲信号发生器来解决问题。

1 PI模块检测原理

PI模块是DCS系统控制器中的一种输入输出模块。以日本山武公司的 DCS系统为例,每个 PI模块接收 8点脉冲输入信号,通常是干触点信号(机械脉冲)或集电极开路输出的脉冲信号 (电脉冲),当输入脉冲信号电压≥13V(DC)或对应的回路电流≥12 mA时触点状态为 ON;当输入脉冲信号电压≤4V(DC)或对应的回路电流≤1.2 mA时触点状态为 OFF,脉冲频率范围为 0～5 kHz。PI模块的电路见图 1。

DCS系统在使用过程中,因环境、年限等因素,系统的硬件设备可能会发生故障,其中控制器的输入输出模块是最容易出故障的部件。输入输出模块的信号回路一旦出现问题,将无法正确监测生产装置的实际情况,必须及时处理故障。但控制器的输入输出模块出现故障的原因可能是不确定的。如故障原因是控制器输入模块的某一个信号通道或整个模块坏了,这种情况下换一个未用的信号通道或更换模块就可以排除故障;但有时故障原因不在输入输出模块本身,而是生产装置现场的相关设备出现问题,如现场的变送器因自身故障、信号线断线、端子接触不良等情况导致监测信号根本没有送到DCS控制器的输入模块,这种情况下我们需要更换现场变送器或重新连接信号线以排除故障。因此,发现输入输出模块出现故障,必须先要判断故障部位、故障原因,然后才着手处理故障。

为了在发生故障时判断是现场问题还是输入输出模块的问题,我们可以用信号发生器在输入输出模块的端子上加载模拟信号,如果 DCS系统显示的模拟数据正确,就可以判断不是输入输出模块的问题;反之即可判定为输入输出模块出现了问题。

图 1 PI模块的电路示意

另外,在新装置刚开始使用 DCS系统进行回路调试时,也可以用信号发生器在中间接线端子上加载相应的模拟信号,对每个输入输出模块进行回路调试。

信号发生器有多种类型,有电阻箱、mV信号发生器、4-20 mA/1-5 V信号发生器、脉冲信号发生器以及多功能型信号发生器。各种信号发生器的价格也相差较大,比如多功能信号发生器和脉冲信号发生器都比较贵,一般工厂企业里不一定将各类信号发生器都备齐。如果在 DCS使用过程中需要判断 PI模块是否有问题,或者在回路调试过程中需要对脉冲输入回路进行调试时,没有专用的脉冲信号发生器将影响检测进程顺利进行,严重情况下甚至会导致对生产装置控制的失效。

2 自制 PI模块检测组件

2.1 自制 PI模块检测组件的组成

自制 PI模块检测组件主要由 PC机脉冲发生程序和电平匹配模块两个部分组成。

(1)PC机脉冲发生程序

PC机脉冲发生程序是本检测组件的核心部分,它是在 PC机上用VisualBasic来编制的程序,其工作原理见图 2。

图 2 脉冲发生 VB程序流程

脉冲发生 VB程序具体的编制方法是:使用标准的串口通信控件MsComm,安排若干定时器以连续发送,用适当的字符和循环得到适当的频率,选择适当的波特率以适应频率的高低。以下为 20 Hz时的VB程序源代码:

编制其他频率的VB程序时的一些设定参数见表 1。

表 1 编制 VB程序时的设定参数

(2)电平匹配模块

由于脉冲发生程序是通过 PC机的 RS232通信口送出去的,其信号是逻辑 1为 -3～-15 V,逻辑 0为 +3～+15 V。而 PI模块的输入信号电平是高电平电压UH≥13V(DC),低电平电压 UL≤4 V(DC),所以要用电平匹配模块将 PC机的RS232通信口送出去的信号电平与 PI模块的输入信号电平相匹配。电平匹配模块用晶体管电子电路搭成,见图 3。

图 3 电平匹配模块的电路图

2.2 自制 PI模块检测组件的使用

自制 PI模块检测组件的实际使用较为简单。当DCS系统某路监控状态发生异常而怀疑故障原因为 PI模块故障时,首先将自制 PI模块检测组件 (PC机、电平匹配模块)与 DCS系统的相关PI模块连接起来,即:将装有脉冲发生程序的 PC机用 RS232专用电缆连接到电平匹配模块的输入端 (RS232口);电平匹配模块的输出端与 DCS系统 PI模块的输入端连接。例如测试山武 DCS系统某 PI模块的第 1通道时,可将电平匹配模块的输出“+”端连接到该 PI模块的 TB1:5端子,电平匹配模块的输出“-”端连接到 PI模块的TB1:6端子。然后在自制检测组件的软件操作显示界面 (图 4)中选定输出信号条件,顺序选择 PC的串行端口号 (只需选择一次)和所需要的频率,电平匹配模块的输出端即可输出选定频率的脉冲信号。该脉冲信号为单通道无源共地输出,可连续输出。

通过上述设定后,自制 PI模块检测组件即已开始模拟信号的输出,通过检查 DCS监控界面的反馈信号即可完成该 PI模块工作状态的检测任务。

同样,DCS系统 PI模块的日常维护检测也可以用上述方法进行。

图 4 频率选择显示界面的示意图

2.3 自制 PI模块检测组件的特点

(1)测量精度高

自制 PI模块检测组件测试精度高,测量精度达到专用信号发生器的要求,符合实际使用需要。在温度 28℃、湿度 48%的环境下对自制 PI模块检测组件用 OVAL脉冲检测器 PC2201(产品序列号 SD0761,经上海市计量测试技术研究院检验通过,登记号:120090304F30-0002)进行精度测试。将自制 PI模块检测组件发出的各种频率的脉冲信号加载到 OVAL脉冲检测器 PC2201的信号输入端,在 OVAL脉冲检测器的显示屏上显示这些频率值,显示频率与设定的理论频率相对比以检验其准确度,测试结果见表 2。

表 2 PI模块检测组件的精度测试结果

由表 2可以看出,自制 PI模块检测组件的频率最大误差为 ±0.21%,其精度在使用范围之内。

(2)使用的方便性

普通的多功能信号发生器的输出脉冲信号无法驱动一般 DCS系统 PI模块中输入回路的光电偶合器。而专用脉冲信号发生器,如 OVAL的脉冲检测器 PC2201,面板上有 6个多档旋钮和 4个按钮,设置相对复杂,并且需要 110 V交流电源或者 6节 3V的镍镉电池。本文介绍的自制 PI模块检测组件,只要一台普通电脑装上预先编制好的脉冲发生程序和预先制作好的电平匹配模块,直接连接到 DCS系统的 PI模块就可进行检测和调试,操作直观清晰。

(3)经济实用性

专用的脉冲信号发生器功能单一且价格昂贵,如仅购置一台 OVAL脉冲检测器 PC2201就需 2～3万元。而自制 PI模块检测组件,其硬件电平匹配模块可以使用普通的电子元件搭建,直接成本不超过 100元;软件部分可以利用企业现有的工作电脑 (需有 RS232接口)装上脉冲发生程序即可满足日常的检测要求。

3 结论

综上所述,本文介绍的自制 PI模块检测组件使用方法简单,检测效率高,成本低廉,精度在理想范围之内。同时,自制 PI模块检测组件的输出为集电极开路型,可模拟涡轮流量计、涡街流量计、电量表等现场的电气仪表的输出信号。在没有专用脉冲信号发生器或日常维护检查等非计量目的的设备检测时可利用此方法对 PI模块进行快速测试。

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。

翟士标,男,1959年 12月出生,1983年毕业于华东化工学院分院化工自动化及仪表专业,工程师,长期从事DCS系统的工作。