摘 要 ：原型號(hào)電容式液位計(jì)由探頭和變送器組成，變送器為四線制 4mA ～ 20mA 接口。新型號(hào)電容式液位計(jì)僅包括探頭，探頭為兩線制 4mA ～ 20mA 接口，即液開計(jì)升級(jí)導(dǎo)致與 DCS 的接口類型發(fā)生變化。新、原型號(hào)電容式液位開關(guān)均由探頭和變送器組成，它們的變送器與 DCS 的接口相同，但由于安裝方式問題，原型號(hào)液位開關(guān)變送器安裝在 DCS 柜內(nèi)而新型號(hào)液位開關(guān)變送器只能安裝在就地的接線箱，即液開關(guān)升級(jí)導(dǎo)致 DCS 柜內(nèi)與柜外的接口信號(hào)發(fā)生變化。為滿足新型號(hào)液位計(jì) / 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(jì) / 開關(guān)所在通道故障的影響，本文給出了電容式液位計(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型及其與 DCS 接口改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了相關(guān)影響分析。g1n壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
引言
電容式液位計(jì) / 開關(guān)通過探頭的探桿將物理液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)，進(jìn)而通過探頭的電子元件將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而達(dá)到液位測(cè)量的目的。電容式液位計(jì) /開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的液位測(cè)量，比如水、燃油、潤滑油的液位均可以通過電容式液位計(jì) / 開關(guān)來測(cè)量。隨著大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，電容式液位計(jì) / 開關(guān)（下文簡(jiǎn)稱液位計(jì) / 開關(guān)）向集成化和智能儀表方向發(fā)展。原型號(hào)液位計(jì)由原型號(hào)探頭和原型號(hào)變送器組成，由于原型號(hào)探頭無法直接輸出能夠送入 DCS 的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)而僅能夠輸出脈沖頻率調(diào)制（下文稱 PFM）信號(hào)，所以需要使用原型號(hào)變送器將 PFM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，再將標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送入 DCS ；原型號(hào)變送器為四線制，其與 DCS 的電源接口
和信號(hào)接口是分開的，電源接口為 24VDC 電源，信號(hào)接口為 4mA ～ 20mA 有源信號(hào)。新型號(hào)液位計(jì)采用新型號(hào)探頭，wuxu再使用
電容式液位變送器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，新型號(hào)探頭為兩線制，即電源接口同時(shí)也是信號(hào)接口；DCS 通過 2 根導(dǎo)線向新型號(hào)探頭提供 24VDC 電源，同時(shí)也通過這 2 根導(dǎo)線采集新型號(hào)探頭輸出的 4mA ～ 20mA 信號(hào)，即新型號(hào)探頭與 DCS 的接口為 4mA ～ 20mA 無源信號(hào)。新、原型號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)，變送器均可輸出液位開關(guān)信號(hào)和故障報(bào)警信號(hào)，與 DCS 的信號(hào)接口均為干接點(diǎn)，與 DCS 的電源接口均為 24VDC 電源。原型號(hào)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(hào)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(hào)。為滿足新型號(hào)液位計(jì) / 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(jì) / 開關(guān)所在通道故障的影響，本文給出了電容式液位計(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型及其與 DCS 接口改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了相關(guān)影響分析。
1 液位計(jì)升級(jí)換型及其與DCS接口改進(jìn)設(shè)計(jì)
原型號(hào)液位計(jì)由探頭和變送器組成，探頭安裝于待測(cè)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(hào)。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(hào)至 DCS 的 AI 模塊。原型號(hào)液位計(jì)與DCS 的接口如圖 1 所示。因?yàn)樵吞?hào)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(cè)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(huì)影響 DCS 柜內(nèi) AI 模塊對(duì)其他通道的信號(hào)采集。新型號(hào)液位計(jì)僅為探頭，不再采用單好的變送器。探頭為兩線制，信號(hào)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(hào) [2]。信號(hào)處理模塊 將 輸 入 端 的 4mA ～ 20mA 無 源 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 輸 出 端 的4mA ～ 20mA 有源信號(hào)。為了使某一測(cè)量通道的 DCS 柜外電纜（探頭至信號(hào)處理模塊的電纜）上的短路 / 超電流故障不會(huì)影響 DCS 柜內(nèi) AI 模塊對(duì)其他通道的信號(hào)采集，在信號(hào)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(hào)至 AI 模塊。其中，信號(hào)處理模塊和隔離模塊需要從向原型號(hào)變送器供電的斷路器下游取電。新型號(hào)液位計(jì)與 DCS的接口如圖 2 所示。
2 液位開關(guān)升級(jí)換型及其與DCS接口改進(jìn)設(shè)計(jì)
原型號(hào)液位開關(guān)、新型號(hào)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(hào)液位開關(guān)與原型號(hào)液位開關(guān)的相同點(diǎn)：
1）液位開關(guān)由探頭和變送器組成，探頭安裝于待測(cè)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(hào)。
3）變送器與 DCS 的電源接口和信號(hào)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(gè)干接點(diǎn)信號(hào)（分別為液位開關(guān)信號(hào)和故障報(bào)警信號(hào)）。
◇ 新型號(hào)液位開關(guān)與原型號(hào)液位開關(guān)的不同點(diǎn)：
a）安裝方式和安裝位置的不同，原型號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)液位開關(guān)變送器通過 DCS 柜外電纜與 DCS 設(shè)備相連。因?yàn)樵吞?hào)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(cè)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(huì)影響 DCS 柜內(nèi) DI 模塊對(duì)其他通道的信號(hào)采集。
在液位開關(guān)升級(jí)換型后，為了使某一測(cè)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(huì)影響 DCS 柜內(nèi) DI 模塊對(duì)其他通道的信號(hào)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(xiǎn)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(shí)可熔斷保險(xiǎn)絲 / 導(dǎo)通二極管以保護(hù)柜內(nèi)設(shè)備。新型號(hào)液位開關(guān)變送器從向原型號(hào)液位開關(guān)變送器供電的斷路器下游取電。
3 影響分析
3.1 設(shè)備基本信息
本文以 6 個(gè)液位計(jì)和 2 個(gè)液位開關(guān)升級(jí)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(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型前后在 DCS 柜內(nèi)安裝的設(shè)備差異，即在液位計(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型前 DCS 柜內(nèi)安裝的模塊為
法蘭液位變送器和
單法蘭液位變送器，在液位計(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型后 DCS 柜內(nèi)安裝的模塊為信號(hào)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(píng)估對(duì)布置空間的影響，根據(jù)表 1 的數(shù)據(jù)計(jì)算如下：
1）液位計(jì)升級(jí)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(jì) 升 級(jí) 換 型 改 進(jìn) 后 DCS 柜 內(nèi) 信 號(hào) 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(jì)升級(jí)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(jì)升級(jí)換型改進(jìn)的需要，wuxu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(jì) / 開關(guān)升級(jí)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(jì) 1 ～ 6 的信號(hào)采集通道，信號(hào)處理模塊 1 ～ 3 共 6 個(gè)通道分別用于液位計(jì) 1 ～ 6 的信號(hào)采集通道。
3.3.1 DCS柜下游分?jǐn)嗦菲魅萘糠治?/div>
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(hào)液位計(jì)的供電設(shè)計(jì)：新型號(hào)液位計(jì) 1 ～ 6 信號(hào)采集通道中所用信號(hào)處理模塊和隔離模塊供電保持與對(duì)應(yīng)通道的原型號(hào)液位計(jì)變送器供電相同。具體如下：
1）液位計(jì) 1 信號(hào)采集通道中的模塊從斷路器 B2 下游
取電。
2）液位計(jì) 2 信號(hào)采集通道中的模塊從斷路器 B3 下游
取電。
3）液位計(jì) 3 ～ 6 信號(hào)采集通道中的模塊從斷路器 B4下游取電。新型號(hào)液位開關(guān)的供電設(shè)計(jì)：新型號(hào)液位開關(guān)變送器的供電保持與對(duì)應(yīng)通道的原型號(hào)液位開關(guān)變送器供電相同。液位計(jì) / 開關(guān)升級(jí)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(gè)原型號(hào)變送器變?yōu)?1 個(gè)信號(hào)處理模塊（1 個(gè)通道）和 1 個(gè)隔離模塊，所以升級(jí)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(jí)換型的液位計(jì)信號(hào)采集通道以外的設(shè)備，所以需要根據(jù)液位計(jì)升級(jí)換型前斷路器 B2（或 B3）的下游負(fù)荷以及液位計(jì)升級(jí)換型后斷路器 B2（或 B3）的下游負(fù)荷增量進(jìn)行求和計(jì)算得出液位計(jì)升級(jí)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(gè)信號(hào)處理模塊（每個(gè)信號(hào)處理模塊使用了 2 個(gè)通道）和 4 個(gè)隔離模塊，所以液位計(jì)升級(jí)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(gè)新型號(hào)液位開關(guān)變送器，所以液位開關(guān)升級(jí)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?jì)升級(jí)換型后DCS 柜各個(gè)下游分?jǐn)嗦菲鞯念~定容量仍大于其對(duì)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。
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(jì) / 開 關(guān) 升 級(jí) 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(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型前 DCS 機(jī)柜的電流相加得出液位計(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型后的DCS 機(jī)柜電流，從而評(píng)估 DCS 機(jī)柜上游斷路器的容量是否滿足液位計(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型后 DCS 機(jī)柜電流的需求。如液位計(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型后 DCS 柜上游總斷路器的額定容量仍大于其對(duì)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?jí)配關(guān)系，以防止發(fā)生斷路器越級(jí)脫扣現(xiàn)象。
4 結(jié)束語
本文給出了液位計(jì) / 開關(guān)升級(jí)換型及其與 DCS 接口改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，能夠滿足新型號(hào)液位計(jì) / 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(jì) / 開關(guān)所在通道故障的影響，同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)影響分析，從柜內(nèi)空間上驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性并給出了對(duì)斷路器容量的分析方法。
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