模拟量输入在I／A系统的应用

胡旭阳

（河南能源化工集团中原大化公司，河南濮阳 457004）

模拟量输入在I／A系统的应用

胡旭阳

（河南能源化工集团中原大化公司，河南濮阳 457004）

河南能源化工集团中原大化公司煤化工500 kt／a甲醇项目，控制系统采用FOXBORO公司的I／A控制系统。简述模拟量输入在I／A控制系统的原理、问题、典型事故的解决方案。

模拟量输入；I／A控制系统；甲醇

0 引言

当代化工生产控制系统利用微处理机或微型计算机技术对生产过程进行集中管理和分散控制。整个系统都是基于对生产过程的集中监视，将装置运行的温度，压力，流量，液位等数据反映到主控室，这就需要控制系统将各种类型模拟量输入信号测量，处理，转换后准确、及时地呈现在操作站上。

1 系统简介

中原大化集团煤化工甲醇项目DCS控制系统采用美国FOXBORO公司的I／A系统。I／A系统最大的特点是系统的软件、硬件和通讯系统都广泛采用开放型标准设计。硬件品种少，可靠性高，组态灵活。模拟量输入一线控制器已经具有包括自整定（EXACT）和多变量自整定（EXACT MV）在内的复杂计算能力，模拟量输入组件全部为变压器耦合隔离和光电隔离，一对一转换，过流保护，不用保险丝，提高系统运行时间。各类模拟量输入卡件都有自诊断程序，可进行报警打印，CRT报警显示，有故障的卡件红灯显示，无需人工判断。所有组件都可带点更换。

2 测量原理

现场模拟量仪表的测量原理种类很多，按进入主控系统的信号类型来分类，可分为4－20 mA（0－20 mA）电流，电阻，微电压，0－5 V电压等。不同类型的输入信号对应不同的FBM卡件。电流信号常用的有FBM201，FBM205（可冗余，4AI／4AO），FBM211，FBM216（可冗余，支持HART通讯），热电偶信号使用FBM202，热电阻信号使用FBM203。在对卡件进行组态时选用不同的ECB类型，FBM201、FBM202、FBM203、FBM211组态类型为ECB1，FBM205、FBM216组态类型为ECB2。FBM216卡件的每个通道还需用ECB1类型组态后才能激活使用。

2.1 电流信号

FTA底板接线方式分为供电（24 V）和不供电两种。在FTA板内通过250Ω的负载将电流信号转换为电压信号，再由电压信号转为数字信号后通讯至CPU，在进行A／D转换时需要在组态选择转换方式，通常都选用SCI3，既4－20 mA线性转换成12800－64000码。

2.2 电阻信号

对于现场来的热电阻接线，可以选择直接接入FBM203卡件底板。底板上有Ax，bx，Cx三个端子，对于不同的热电阻接法也各不相同。常用的铂电阻在FBM进行A／D转换时使用SCI43进行修正。

二线制热电阻，I－接Ax，I＋接Bx，将Ax，Bx短接，这种接法无法消除线阻带来的误差，根据电缆的长度会导致显示温度会有不同程度的偏高，一般在20度左右，可根据现场实际温度在DCS内部减去这个温差，对其进行人为修正。三线制热电阻，I－接Ax，I＋接Bx，Ic接Cx，这种接线方式可通过对I－、Ic间电阻的测量，消除线电阻带来的误差，无需后期的人为修正，精度较高。四线制热电阻，I－接Ax，I＋接Bx，Ic接Cx，将另一根I＋也接入Cx，这种接线方式可以更加精确的消除线电阻带来的误差，是精度最高的测量方式。

热电阻也可以通过MTL5074安全栅转换为电流后接入FBM。需要对安全栅内部进行设置位号，量程，热阻类型，输入，输出等。其中非常重要的一项是对开路或者故障时的设置，可以选择保持输出或者输出跑最大及最小，要结合工艺流程，以安全为首要目的，以不会热阻故障导致触发连锁为出发点进行设置。

2.3 微电压信号

微电压信号一般都是不带变送器的热电偶信号，可以选择直接接入FBM202卡件底板。卡件内部提供3线100欧泊RTD作为冷端参考温度补偿。常用的K型热电偶在FBM进行A／D转换时使用SCI24进行修正。

热电偶也可以通过MTL5074安全栅转换为电流后接入FBM。安全栅需要进行冷端补偿设置，其他参考上述热电阻。

2.4 处理问题思路

遇到模拟量输入故障，先看是单点故障还是多点同时故障，如果是多个AI点同时故障，则需迅速判断是否为系统故障。查看硬地址，是否在同一个卡件上，查看故障点趋势是否在同一时间突然阶跃变化，或是直接开路，若有以上现象则可首先判断为卡件故障。

若为单点故障，先找到AI点的接线位置，按类型对其检查，检查前要将所要将检查点手动，切除相关连锁并告知工艺人员。处理时首先查看接线是否有松动，脱落。

（1）电流信号，测量回路电压，万用表串入回路测量电流。电压、电流均正常或均不正常怀疑是通道问题或系统问题。电压正常，电流不正常则怀疑为现场仪表故障或线路故障。

（2）热电阻信号，以三线制铂电阻为例，分别测量三线间的电阻，正常情况下I－与Ic间线阻在10欧左右，I＋与I－，I＋与Ic之间电阻相差不多，减去线阻后以100Ω为0℃，电阻每增加（减少）38Ω则现场测温点温度升高（降低）100℃，粗略计算电阻值是否在正常范围内。

（3）热电偶信号，以K型热电偶为例，首先测量热偶电阻，正常情况应只有十几欧的线阻，测量器毫伏值，以0 m V为20℃（室温），电势每增加（减少）4 mV则现场测温点温度升高（降低）100℃，粗略计算毫伏值是否在正常范围内。

（4）带安全栅的信号，安全栅前的接线如上述检查，若检查无问题而安全栅输出电流不正常则为安全栅问题。

3 典型事故

1）2014年5月22日5：20气化1＃，2＃，3＃煤管线压力13PI0101，13PI0201，13PI0301突然由4 MPA升至6 MPA，因为此压力参与煤流量计算，导致3条管线煤流量各自下降了0.3 kg／s，然后又缓慢恢复至原流量，此时的煤流量实际已经增加了。因为三个压力点在同一个卡件上，又是瞬间大幅增加，所以首先怀疑是卡件原因。查看同一卡件上的其他AI点，发现在同一时间点均有大幅增加。系统报警中没有任何报警信息，卡件没有出现故障提示。在机柜间拔下主卡后，系统切换至备卡，AI点指示均回复正常，重新插上主卡，将备卡拔掉，系统切回主卡后指示依旧正常，重新插上备卡。

2）空分装置流量表FI01414A指示开路，从机柜间检查发现该仪表为底板供电24 V，测量其回路无电流，电压非常小，判断是通道故障，更换通道后测量电流、电压均正常，上位指示恢复正常。

3）现场增加honeywell仪表，挂手操器后无法建立通讯，检查发现所加安全栅为MTL5042，实际供电输出电压只有18 V，更换为MTL5041后实测输出电压为22 V，现场重新用手操器建立通讯正常。

4）DCS的AI卡底板有I＋、I－、Ip三个端子，如现场表需要24V供电接Ip，I－端子。如现场仪表有独立的供电，只是输出的4－20 mA电流，或者供电仪表有安全栅供电，则需要接I＋、I－端子（不供电）。接线时需要先判断现场仪表电流类型再选择接线端子，防止接错供电方式而造成仪表故障。

5）6号站新加K1302信号均为现场电缆直接接入安全栅去FBM，没有经过中间端子柜。现场电缆为单根铜芯线，硬度比较高，与软线相比接入安全栅后，安全栅接线端子更吃劲，且当开车期间某个点出现问题时不敢去检查，生怕会碰到附近的接线或安全栅引起误动作。如果在正常生产中某个点出现故障，在处理过程中将会造成极大的隐患。

4 预判建议

1）将重要的AI点分开卡件。此前也做分卡的工作，但出现过的故障还是提醒我们工作做得不够细致，作为重中之重的四条烧嘴管线，必须要做到不同管线的测量点不能进同一个卡件。以前关注点更多是放在了进入连锁的点，现在应该吸取经验教训，重新进行排查，特别是对参与重要运算的，例如压差，稳压补偿，煤流量，氧流量等所有的AI点都要进行细致排查。

2）熟悉并合理的使用安全栅。例如，同样作为常用的电流输入转换的安全栅，MTL5041只能测量一路有源信号，输出电压高；MTL5042既可以测量有源信号又能测量无源信号，但输出电压低；MTL5043则可以一入两出的测量有源信号且输出电压较高，但工作电流明显高于其他两个。可以根据实际情况及作用的不同，合理的分配使用不同型号的安全栅。

3）对于重要位置仪表，如气化炉压力，汽包液位等仪表，增加仪表测量点数量，以防止仪表在装置正常生产中发生故障且无法更换而影响装置的正常运行。

4）增加中间端子柜将现场电缆硬线转为软线后接入安全栅，减少安全栅端子的受力，既保证了安全栅接线的牢固性，又方便以后查线。

5 结束语

I／A控制系统在长时间的生产运行中的显现出了良好的控制性和优异的可靠性，为煤气化装置的长周期运行立下汗马功劳。但系统的软硬件只是其中一方面，人为因素也在其中起着关键作用。只有做好平时的系统维护，关键点故障的预防措施，对系统隐患的积极排查与处理，当人为因素与系统软硬件相结合，才能确保系统的长期、安全、稳定运行。

Analog input in the IA system

Hu Xu-yang（Zhongyuan Dahua Branch of Henan Energy＆Chemical Group，Puyang Henan 457004，China）

energy chemical industry group in Henan Zhongyuan Dahua Company coal chemical methanol 500kt／y project，The control system using FOXBORO＇s I／A control system.The analog input point in the solution of typical accident principle，I／A control system，the problem of.

analog Input；I／A control system；methanol

TP273.2

B

1003-6490（2015）03-050-03

2015－02－23

胡旭阳（1987－），男，山东阳谷人，助理工程师，主要研究方向为仪表自动化控制。