| 压力变送器模拟量故障保护功能的设计与实现 |
| 信息来源： 压力变送器 | 2022-12-26 点击量： 2556 |
在工业化迅速发展的大时代，缺少不了压力变送器、流量计、液位计、密度计、差压变送器等仪表把现场第一数据实时传输到工控系统上，为整个工业自动化系统充当控制、检测等一系列的眼睛，接下来华恒仪表为您解读工业现场最前沿的压力变送器使用情况。
摘要：对某企业压力变送器进行介绍，然后结合加热炉系统误停车现象，对控制系统中引起误停车的模拟量断路/短路故障保护策略进行详细分析，非常后提出并设计实现了控制回路、联锁变量在出现故障时的对应保护措施，可以为工业生产中其他类似项目提供参考。
加热炉是化工企业的热能动力设备，它的正常运转是连续生产的重要保证。然而在调试及后续生产过程中，时常出现加热炉因模拟量断路/短路故障导致的误停车现象。因此，在控制程序和上位组态中增加相应的模拟量故障保护功能就变得很有必要。笔者结合某化纤厂压力变送器，对加热炉误停车主要原因之一的模拟量断路/短路现象进行分析，从控制单元的数据处理特点着手，实现压力变送器模拟量的故障保护功能。
1控制系统介绍
压力变送器目前主要以SIEMENSS7-300PLC为控制核心单元，通过外围控制电路(继电器、安全栅及电源等硬件模块)连接至现场执行机构和传感器，上位人机交互界面主要采用WinCC/组态王/触摸屏。图1为控制系统程序结构框图，主要包括点停炉时序控制、模拟量AI数据处理、单回路控制、负荷调节控制及报警联锁等内容。当输入模块接收到的现场信号经CPU处理后达到报警联锁条件时，便触发程序中的报警联锁响应，非常终由输出模块通过报警指示灯、执行机构联锁动作等输出。加热炉控制回路分为负荷调节回路和其他单回路，负荷调节回路是由介质出口温度、燃油流量、助燃风流量及残氧量等回路构成的复杂串级交叉控制回路。此外，为保证系统安全运行，还设有多个报警联锁点，主要包括介质出口温度、介质盘管温度、介质流量、残氧量及膨胀罐液位等。
2故障保护方法分析
系统停车包括响应现场工艺参数变化的联锁停车以及与现场工艺参数不符的误停车。引起系统误停车的原因是控制系统接收到与现场实际不符的仪表信号，包括开关量和模拟量，笔者主要讨论模拟量的情况，此种情况主要是由信号断路/短路造成的。下面针对模拟量断路/短路的故障保护策略进行分析。
2．1模块自带诊断功能分析
目前压力变送器模拟量AI输入模块主要采用331-7KF02-0AB0的4通道8点输入模块，其输入属性包括诊断中断和超出限制时硬件中断，如图2所示［1］。
2．1．1诊断中断
AI模块331-7KF02-0AB0诊断中断功能可以检测内部故障，包括硬件故障(如EPＲOM故障、ＲAM故障及内部电源故障等)和软件故障(如模块参数错误、通道组态错误等)，还可以检测外部故障(如外部辅助电源丢失、缺少前连接器及断路等)。在图2中勾选组诊断，可启用断路监视和相应的诊断信息。需要注意的是，如果组态为电压型传感器时，只有80mV和250mV的电压信号才可以进行断路监视;如果组态为四线制电流传感器时，只有4～20mA的电流信号才可以进行断路监视。
当模块检测到错误或是消除错误时，CPU操作系统会调用组织块OB82，在OB82中包含基本的诊断信息，可以提供错误发生的时间、错误所在模块信息等。如果想进一步评估诊断模块的数据，可以通过调用SFC51、SFC59等系统函数来获得更具体的通道诊断信息。
2．1．2超出限制时硬件中断
AI模块331-7KF02-0AB0具有可以触发硬件中断的功能。如图2所示，如果激活超出限制时硬件中断，则会在超出或低于限定值时，调用硬件中断组织块OB40。在OB40的用户程序中，可以编写系统对硬件中断进行响应的程序。OB40的临时变量OB40_MDL_ADDＲ存放中断模块的地址，OB40_POINT_ADDＲ可以读取中断模块产生的中断状态。如果没有硬件中断产生，中断模块地址OB40_MDL_ADDＲ为0;当存在硬件中断时，中断模块地址OB40_MDL_ADDＲ显示该模块的起始地址。
需要注意的是，只有通道0和通道2具有硬件中断功能，其他通道的输入都不能触发硬件中断。因此，采用硬件诊断判断331-7KF02-0AB0卡件断路/短路存在一定的限制，而采用其他功能更为强大的全通道诊断卡件则会带来成本的上升。
2．2控制器内部数值分析
SIEMENSS7-300PLC处理模拟量的方式为将现场仪表传送过来的4～20mA信号转换为对应的0～27648之间的系统字。如果现场仪表或线路出现断路/短路故障，则电流范围不再是4～20mA，转换的数字量也就不再对应0～27648，利用CPU的这个内部数值特性，对模拟量故障保护进行分析。
压力变送器中的模拟量输入为二线制和四线制仪表，接线方式如图3所示。二线制是相对于四线制(两根供电线路、两根通信线路)来说的，将供电线缆与信号线缆合二为一，两根线缆实现通信兼供电功能。从标准意义来说，对于二线制仪表，AI模块能接收到4～20mA的电流信号，如果线路断路则AI模块接收到的电流为0mA，如果线路短路则AI模块接收到的电流大于20mA;对于四线制仪表，无论信号断路还是短路，AI模块接收到的电流均为0mA。
4～20mA电流测量范围内的模拟值见表1。对于电流型仪表，当输入电流大于20．0000mA小于等于22．8100mA(对应系统字32511)时处于过冲范围，当输入电流大于22．8100mA小于等于22．9600mA(对应系统字32767)时处于上溢范围，非常大系统字为32767;当输入电流小于4．0000mA大于等于1．1850mA(对应系统字－4864)时处于下冲范围，当输入电流小于1．1850mA大于等于0．0000mA(对应系统字－32768)时处于下溢范围，非常大系统字为－32768。
根据以上分析，针对不同接线类型的仪表，虽然AI模块内部数值处理方式不同，但是在出现故障时，AI模块输出的系统字均为32767或－32768，见表2。所以在进行模拟量断路/短路故障保护功能时可以利用系统的这一特点。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AI模块内部的断路/短路故障处理方法［2］。
2．3故障保护策略的选择
通过上述分析可以发现，压力变送器中的AI模块自身具有一定的诊断中断功能，断路诊断是其中的一部分。但该功能存在如下缺点:对模拟量断路故障保护来说，每设计一个新的工程，都需要进行新的硬件组态，并且需要多个组织块程序的编写，步骤繁琐且易出错;对模拟量短路故障保护来说，超出限制时硬件中断功能只适用于1个通道，即通道0或通道2，功能不完善，不宜选用。而利用SIEMENSS7-300PLC内部数值的特点，可以采用相对简单的编程设计实现断路/短路故障处理，且具有较强的可移植性。
3故障保护功能设计
根据表2中系统字的特点和现场验证，模拟量断路/短路故障的检测方法是判断系统字是否等于－32768或32767，若等于，则系统执行相应的报警和保护动作。笔者主要从控制回路、联锁变量和上位实现3个方面进行故障保护功能的设计。
3．1控制回路的故障保护
正常运行的压力变送器，各个控制回路通常都处于PID自动调节状态。当现场传送至AI模块的仪表信号出现断路/短路故障时，CPU接收的实测值(控制回路PV值)可能为0或满量程，不能真实地反映现场工艺参数。由于控制回路处于自动控制状态，此时现场执行机构的阀门开度(控制回路MV值)会一直减小或增大，直至非常终达到程序限定值，从而导致PID调节失控。此种情况易引发其他工艺参数产生变化，使加热炉工作状态不稳定而导致联锁停车，甚至可能发生爆燃事件造成不必要的经济损失。因此当控制系统检测到变量PV值对应的线路出现断路/短路故障时，应在第一时间将控制回路切换为手动控制方式，避免引起现场执行机构大范围波动，维持当前的生产状态，保持工艺参数的稳定。表3给出了压力变送器负荷调节相关回路在执行断路/短路故障保护功能前后的控制状态。
用户程序中，以介质出口温度控制回路为例，首先对介质出口温度的断路/短路故障进行检测，如果出口温度回路故障指示M34．0变为1，则将M34．0送至手/自动切换SＲ触发器，使控制回路在第一时间切为手动控制状态，如图4所示。
3．2联锁变量的故障保护
在压力变送器中，参与联锁的变量出现断路/短路故障时，即使现场实际工艺参数处于正常范围之内，但上位画面显示值为0或满量程，也会导致误停车。因此当控制系统检测到联锁变量出现断路/短路故障时，需要做保持故障前值处理，然后再由维保人员尽快进行故障线路的检查维修，避免系统误停车。以介质流量为例，进行断路/短路故障保护程序设计(图5)说明。这里巧妙地对介质流量的硬件地址PIW392进行了中转，即新建一个数据块DB8，用于模拟量数据的中转，后续对PIW392进行数据处理时，全部用DB8．DBW88替代，由于加上模拟量断路/短路故障判断条件M34．1，当故障产生时，M34．1断开，DB8．DBW88便可保持故障前的数据不变，直到故障消失，M34．1导通，这样便可实现联锁变量的正常读数和故障前的数据保持功能。
3．3上位实现的故障保护
当模拟量出现断路/短路故障时，应在上位机或触摸屏等人机界面上进行相应级别的报警，提醒操作人员关注参数变化，调整工艺参数，保障生产进行，以防误停车事件发生。
在压力变送器中，有的变量参与控制调节，有的变量参与联锁停车，有的变量仅用于报警或显示。模拟量在控制系统中所起的作用不同，发生故障时所采取的措施也就不同。因此，当发生断路/短路故障时，对参与控制调节、联锁停车的模拟量，进行联锁停车级别的声光报警，对仅用于报警和监控的模拟量，进行普通报警级别的声光报警即可。
由于模拟量断路/短路故障的特殊性，不属于工艺参数的实际变化，所以在进行报警提醒时，也需要用特殊的报警声音进行区分，比如可以通过第三方软件编辑成音频模拟量断路/短路报警，请检修!等，并在画面报警区域进行醒目的显示，以便和实际工艺参数变化的模拟量报警区分开来。
4结束语
通过上述分析和现场实际应用，在压力变送器中实现了模拟量断路/短路故障保护功能，可以对模拟量断路/短路故障进行有效的检测判断，通过将控制回路切换为手动状态、保持联锁变量故障前值，从而避免了控制回路失控并减少了加热炉误停车次数，同时对故障模拟量进行特殊的声光报警，方便了检修人员快速查找并排除故障，有效地保障了企业生产的顺利进行，可以对其他类似项目提供借鉴和参考。
仪器仪表是工业化进程的基石，只有选用工业现场选用合适的仪表，才能够事半功倍，自动化流程才能够更加自动化。
陕ICP备09007751号-1