電容式液位計/開關升級及與DCS接口改進

張?zhí)旌剑瑮?超

（中廣核研究院有限公司 系統(tǒng)工程與改造中心，廣東 深圳 518000）

0 引言

電容式液位計/開關通過探頭的探桿將物理液位信號轉(zhuǎn)換為電容信號，進而通過探頭的電子元件將電容信號轉(zhuǎn)換為電信號，從而達到液位測量的目的。電容式液位計/開關廣泛應用于工業(yè)中的液位測量，比如水、燃油、潤滑油的液位均可以通過電容式液位計/開關來測量。隨著大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，電容式液位計/開關（下文簡稱液位計/開關）向集成化和智能儀表方向發(fā)展。原型號液位計由原型號探頭和原型號變送器組成，由于原型號探頭無法直接輸出能夠送入DCS 的標準電信號而僅能夠輸出脈沖頻率調(diào)制（下文稱PFM）信號，所以需要使用原型號變送器將PFM 信號轉(zhuǎn)換為標準電信號，再將標準電信號送入DCS；原型號變送器為四線制，其與DCS 的電源接口和信號接口是分開的，電源接口為24VDC 電源，信號接口為4mA ～20mA 有源信號。新型號液位計采用新型號探頭，無需再使用變送器進行信號轉(zhuǎn)換，新型號探頭為兩線制，即電源接口同時也是信號接口；DCS 通過2 根導線向新型號探頭提供24VDC 電源，同時也通過這2 根導線采集新型號探頭輸出的4mA ～20mA 信號，即新型號探頭與DCS 的接口為4mA ～20mA 無源信號。新、原型號液位開關均由探頭和變送器組成，均由變送器將探頭輸出的PFM 信號轉(zhuǎn)換為開關信號，變送器均可輸出液位開關信號和故障報警信號，與DCS 的信號接口均為干接點，與DCS 的電源接口均為24VDC 電源。原型號液位開關變送器為卡槽安裝，與DCS 模塊安裝方式相同，可在DCS 柜內(nèi)模塊機架上；而新型號液位開關變送器為DIN 標準導軌安裝，無法安裝在DCS 柜內(nèi)，只能安裝在就地的接線箱，這導致DCS 要向柜外變送器供電并采集信號。為滿足新型號液位計/開關的接口功能，并保證DCS 柜內(nèi)AI/DI 模塊的其他通道不受液位計/開關所在通道故障的影響，本文給出了電容式液位計/開關升級換型及其與DCS 接口改進設計方案，并進行了相關影響分析。

圖1 原型號液位計及與DCS的接口示意圖Fig.1 The original level meter and interface wit h DCS

1 液位計升級換型及其與DCS接口改進設計

原型號液位計由探頭和變送器組成，探頭安裝于待測液體的容器罐上，變送器安裝于DCS 柜內(nèi)；探頭為兩線制，變送器通過2 根導線向探頭供電，并接收探頭輸出的PFM信號。變送器為四線制[1]，變送器通過2 根導線接受來自DCS 柜內(nèi)斷路器的24VDC 電源，并通過另外2 根導線輸出4mA ～20mA 信號至DCS 的AI 模塊。原型號液位計與DCS 的接口如圖1 所示。因為原型號變送器的輸入與其他回路電氣隔離，且安裝在DCS 機柜內(nèi)，所以某一測量通道的DCS 柜外電纜（探頭至變送器的電纜）上的短路/超電流故障不會影響DCS 柜內(nèi)AI 模塊對其他通道的信號采集。

新型號液位計僅為探頭，不再采用單獨的變送器。探頭為兩線制，信號處理模塊通過2 根導線向探頭供電，并接收探頭輸出的4mA ～20mA 無源信號[2]。信號處理模塊將輸入端的4mA ～20mA 無源信號轉(zhuǎn)換為輸出端的4mA ～20mA 有源信號。為了使某一測量通道的DCS 柜外電纜（探頭至信號處理模塊的電纜）上的短路/超電流故障不會影響DCS 柜內(nèi)AI 模塊對其他通道的信號采集，在信號處理模塊與AI 模塊之間加入隔離模塊[3]，隔離模塊的輸入與輸出電氣隔離，隔離模塊輸出4mA ～20mA 有源信號至AI 模塊。其中，信號處理模塊和隔離模塊需要從向原型號變送器供電的斷路器下游取電。新型號液位計與DCS的接口如圖2 所示。

圖2 新型號液位計及與DCS的接口示意圖Fig.2 The upgraded level meter and interface with DCS

2 液位開關升級換型及其與DCS接口改進設計

原型號液位開關、新型號液位開關及與DCS 的接口示意圖分別如圖3 和圖4 所示。

◇ 新型號液位開關與原型號液位開關的相同點：

1）液位開關由探頭和變送器組成，探頭安裝于待測液體的容器罐上。

2）探頭為兩線制，變送器通過2 根導線向探頭供電，并接收探頭輸出的PFM 信號。

3）變送器與DCS 的電源接口和信號接口是分開的，變送器通過2 根導線接受來自DCS 柜內(nèi)斷路器的24VDC電源，并通過另外4 根導線輸出2 個干接點信號（分別為液位開關信號和故障報警信號）。

◇ 新型號液位開關與原型號液位開關的不同點：

a）安裝方式和安裝位置的不同，原型號液位開關變送器為卡槽式安裝，與DCS 模塊安裝方式相同，可在DCS 柜內(nèi)模塊機架上；新型號液位開關變送器為DIN 標準導軌式安裝，受限于其安裝方式和DCS 柜內(nèi)空間問題無法安裝在DCS 柜內(nèi)，只能安裝在就地的接線箱。

b）由于上述安裝位置的不同，原型號液位開關變送器通過DCS 柜內(nèi)導線與DCS 設備相連，而新型號液位開關變送器通過DCS 柜外電纜與DCS 設備相連。

因為原型號液位開關變送器的輸入與其他回路電氣隔離，且安裝在DCS 機柜內(nèi)，所以某一測量通道的DCS 柜外電纜（探頭至變送器的電纜）上的短路/超電壓故障不會影響DCS 柜內(nèi)DI 模塊對其他通道的信號采集。

在液位開關升級換型后，為了使某一測量通道的DCS柜外電纜（變送器至DCS 柜內(nèi)模塊/斷路器的電纜）上的接地/超電壓故障不會影響DCS 柜內(nèi)DI 模塊對其他通道的信號采集，在變送器與DI 模塊之間以及變送器與斷路器之間加入超電壓保護模塊；超電壓保護模塊內(nèi)包含保險絲、限流電阻、熱偶二極管等，在柜外電纜發(fā)生接地/超電壓故障時可熔斷保險絲/導通二極管以保護柜內(nèi)設備。新型號液位開關變送器從向原型號液位開關變送器供電的斷路器下游取電。

圖3 原型號液位開關及與DCS的接口示意圖Fig.3 The original level switch and interface with DCS

圖4 新型號液位開關及與DCS的接口示意圖Fig.4 The upgraded level switch and interface with DCS

表1 設備基本信息示例Table 1 The basic data of equipment

3 影響分析

3.1 設備基本信息

本文以6 個液位計和2 個液位開關升級換型為例進行說明，設備基本信息示例見表1，以下影響分析過程均在此假設和示例的基礎上進行。

3.2 DCS柜內(nèi)模塊布置空間影響分析

考慮液位計/開關升級換型前后在DCS 柜內(nèi)安裝的設備差異，即在液位計/開關升級換型前DCS 柜內(nèi)安裝的模塊為液位計變送器和液位開關變送器，在液位計/開關升級換型后DCS 柜內(nèi)安裝的模塊為信號處理模塊、隔離模塊和超電壓保護模塊，需要根據(jù)各模塊的數(shù)量和寬度來評估對布置空間的影響，根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)計算如下：

1）液位計升級換型改進前DCS 柜內(nèi)變送器模塊需占用的機架寬度：6×7+2×4=50 HP。

2）液位計升級換型改進后DCS 柜內(nèi)信號處理模塊、隔離模塊和超電壓保護模塊需占用的機架寬度：3×4+6×4+4=40 HP。

所以液位計升級換型改進后DCS 柜內(nèi)模塊需占用的空間將變小，DCS 柜內(nèi)現(xiàn)有空間滿足液位計升級換型改進的需要，無需新增機架或者占用原機架中的備用卡槽空間。

3.3 設備供電分析

液位計/開關升級換型前后各設備的供電示意圖分別如圖5 和圖6 所示。圖6 中的隔離模塊1 ～6 分別用于液位計1 ～6 的信號采集通道，信號處理模塊1 ～3 共6 個通道分別用于液位計1 ～6 的信號采集通道。

3.3.1 DCS柜下游分斷路器容量分析

本改造涉及DCS 柜內(nèi)斷路器B1、B2、B3、B4、B5 的下游負荷的變化。

新型號液位計的供電設計：新型號液位計1 ～6 信號采集通道中所用信號處理模塊和隔離模塊供電保持與對應通道的原型號液位計變送器供電相同。具體如下：

圖5 液位計/開關升級換型前設備供電示意圖Fig.5 The power supply of the original level meter/switch

1）液位計1 信號采集通道中的模塊從斷路器B2 下游取電。

2）液位計2 信號采集通道中的模塊從斷路器B3 下游取電。

3）液位計3 ～6 信號采集通道中的模塊從斷路器B4下游取電。

新型號液位開關的供電設計：新型號液位開關變送器的供電保持與對應通道的原型號液位開關變送器供電相同。

液位計/開關升級換型后DCS 柜下游分斷路器負荷分析：

a）斷路器B2（或B3）的下游負荷變化情況為由1 個原型號變送器變?yōu)?1 個信號處理模塊（1 個通道）和1 個隔離模塊，所以升級換型后斷路器B2（或B3）下游負荷增加了(a+ b×0.5- d) mA；由于斷路器B2（或B3）的下游負載還包括升級換型的液位計信號采集通道以外的設備，所以需要根據(jù)液位計升級換型前斷路器B2（或B3）的下游負荷以及液位計升級換型后斷路器B2（或B3）的下游負荷增量進行求和計算得出液位計升級換型后斷路器B2（或B3）的下游負荷。

b）斷路器B4 的下游負載為2 個信號處理模塊（每個信號處理模塊使用了2 個通道）和4 個隔離模塊，所以液位計升級換型后斷路器B4 的下游負荷為(a×4+ b×2-d×4) mA。

c）斷路器B5 的下游負載為2 個新型號液位開關變送器，所以液位開關升級換型后斷路器B5 的下游負荷為2×c mA。

DCS 柜下游分斷路器容量分析：如液位計升級換型后DCS 柜各個下游分斷路器的額定容量仍大于其對應負載的額定負荷且有一定的裕量，則下游分斷路器的額定容量滿足要求；否則下游分斷路器的額定容量不滿足要求，需要更換為額定容量更大的斷路器。

圖6 液位計/開關升級換型后設備供電示意圖Fig.6 The power supply of the upgraded level meter/switch

3.3.2 DCS柜上游總斷路器容量分析

根據(jù)表1 所列的設備數(shù)量和額定電流信息，液位計/開關升級換型后DCS 柜電流增加(a×6+b×3+c×2-d×6-e×2) mA。可將此電流增加量與液位計/開關升級換型前DCS 機柜的電流相加得出液位計/開關升級換型后的DCS 機柜電流，從而評估DCS 機柜上游斷路器的容量是否滿足液位計/開關升級換型后DCS 機柜電流的需求。如液位計/開關升級換型后DCS 柜上游總斷路器的額定容量仍大于其對應負載的額定負荷且有一定的裕量，則上游總斷路器的額定容量滿足要求；否則上游總斷路器的額定容量不滿足要求，需要更換為額定容量更大的斷路器。此外，上游總斷路器容量的選擇還需要綜合考慮和下游分斷路器的級配關系，以防止發(fā)生斷路器越級脫扣現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文給出了液位計/開關升級換型及其與DCS 接口改進設計方案，能夠滿足新型號液位計/開關的接口功能，并保證DCS 柜內(nèi)AI/DI 模塊的其他通道不受液位計/開關所在通道故障的影響，同時進行了相關影響分析，從柜內(nèi)空間上驗證了改進方案的可行性并給出了對斷路器容量的分析方法。