張?zhí)旌?，?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(guān)通過探頭的探桿將物理液位信號轉(zhuǎn)換為電容信號，進(jìn)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(dá)到液位測量的目的。電容式液位計/開關(guān)廣泛應(yīng)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(guān)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(guān)（下文簡稱液位計/開關(guān)）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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電信號，再將標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dǎo)線向新型號探頭提供24VDC 電源，同時也通過這2 根導(dǎo)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(guān)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(guān)信號，變送器均可輸出液位開關(guān)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(guān)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(jī)架上；而新型號液位開關(guān)變送器為DIN 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(dǎo)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(guān)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(guān)所在通道故障的影響，本文給出了電容式液位計/開關(guān)升級換型及其與DCS 接口改進(jìn)設(shè)計方案，并進(jìn)行了相關(guān)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(jìn)設(shè)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(dǎo)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(dǎo)線接受來自DCS 柜內(nèi)斷路器的24VDC 電源，并通過另外2 根導(dǎo)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(jī)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(dǎo)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(guān)升級換型及其與DCS接口改進(jìn)設(shè)計

原型號液位開關(guān)、新型號液位開關(guān)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(guān)與原型號液位開關(guān)的相同點：

1）液位開關(guān)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(dǎo)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(dǎo)線接受來自DCS 柜內(nèi)斷路器的24VDC電源，并通過另外4 根導(dǎo)線輸出2 個干接點信號（分別為液位開關(guān)信號和故障報警信號）。

◇ 新型號液位開關(guān)與原型號液位開關(guān)的不同點：

a）安裝方式和安裝位置的不同，原型號液位開關(guān)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(jī)架上；新型號液位開關(guān)變送器為DIN 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(guān)變送器通過DCS 柜內(nèi)導(dǎo)線與DCS 設(shè)備相連，而新型號液位開關(guān)變送器通過DCS 柜外電纜與DCS 設(shè)備相連。

因為原型號液位開關(guān)變送器的輸入與其他回路電氣隔離，且安裝在DCS 機(jī)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(guān)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(hù)模塊；超電壓保護(hù)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(dǎo)通二極管以保護(hù)柜內(nèi)設(shè)備。新型號液位開關(guān)變送器從向原型號液位開關(guān)變送器供電的斷路器下游取電。

圖3 原型號液位開關(guān)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(guān)及與DCS的接口示意圖Fig.4 The upgraded level switch and interface with DCS

表1 設(shè)備基本信息示例Table 1 The basic data of equipment

3 影響分析

3.1 設(shè)備基本信息

本文以6 個液位計和2 個液位開關(guān)升級換型為例進(jìn)行說明，設(shè)備基本信息示例見表1，以下影響分析過程均在此假設(shè)和示例的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3.2 DCS柜內(nèi)模塊布置空間影響分析

考慮液位計/開關(guān)升級換型前后在DCS 柜內(nèi)安裝的設(shè)備差異，即在液位計/開關(guān)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(guān)變送器，在液位計/開關(guān)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(hù)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(jìn)前DCS 柜內(nèi)變送器模塊需占用的機(jī)架寬度：6×7+2×4=50 HP。

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

所以液位計升級換型改進(jìn)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(jìn)的需要，無需新增機(jī)架或者占用原機(jī)架中的備用卡槽空間。

3.3 設(shè)備供電分析

液位計/開關(guān)升級換型前后各設(shè)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?jǐn)嗦菲魅萘糠治?/p>

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

新型號液位計的供電設(shè)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(yīng)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(guān)升級換型前設(shè)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(guān)的供電設(shè)計：新型號液位開關(guān)變送器的供電保持與對應(yīng)通道的原型號液位開關(guān)變送器供電相同。

液位計/開關(guān)升級換型后DCS 柜下游分?jǐn)嗦菲髫?fù)荷分析：

a）斷路器B2（或B3）的下游負(fù)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(fù)荷增加了(a+ b×0.5- d) mA；由于斷路器B2（或B3）的下游負(fù)載還包括升級換型的液位計信號采集通道以外的設(shè)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(fù)荷以及液位計升級換型后斷路器B2（或B3）的下游負(fù)荷增量進(jìn)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(fù)荷。

b）斷路器B4 的下游負(fù)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(fù)荷為(a×4+ b×2-d×4) mA。

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

DCS 柜下游分?jǐn)嗦菲魅萘糠治觯喝缫何挥嬌墦Q型后DCS 柜各個下游分?jǐn)嗦菲鞯念~定容量仍大于其對應(yīng)負(fù)載的額定負(fù)荷且有一定的裕量，則下游分?jǐn)嗦菲鞯念~定容量滿足要求；否則下游分?jǐn)嗦菲鞯念~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(guān)升級換型后設(shè)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(shè)備數(shù)量和額定電流信息，液位計/開關(guān)升級換型后DCS 柜電流增加(a×6+b×3+c×2-d×6-e×2) mA?？蓪⒋穗娏髟黾恿颗c液位計/開關(guān)升級換型前DCS 機(jī)柜的電流相加得出液位計/開關(guān)升級換型后的DCS 機(jī)柜電流，從而評估DCS 機(jī)柜上游斷路器的容量是否滿足液位計/開關(guān)升級換型后DCS 機(jī)柜電流的需求。如液位計/開關(guān)升級換型后DCS 柜上游總斷路器的額定容量仍大于其對應(yīng)負(fù)載的額定負(fù)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?jǐn)嗦菲鞯募壟潢P(guān)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(guān)升級換型及其與DCS 接口改進(jìn)設(shè)計方案，能夠滿足新型號液位計/開關(guān)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(guān)所在通道故障的影響，同時進(jìn)行了相關(guān)影響分析，從柜內(nèi)空間上驗證了改進(jìn)方案的可行性并給出了對斷路器容量的分析方法。