引言

電容式液位計 / 開(kāi)關(guān)通過(guò)探頭的探桿將物理液位信號轉換為電容信號，進(jìn)而通過(guò)探頭的電子元件將電容信號轉換為電信號，從而達到液位測量的目的。電容式液位計 /開(kāi)關(guān)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(guò)電容式液位計 / 開(kāi)關(guān)來(lái)測量。隨著(zhù)大規模集成電路的快速發(fā)展，電容式液位計 / 開(kāi)關(guān)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)液位計 / 開(kāi)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(wú)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制（下文稱(chēng) PFM）信號，所以需要使用原型號變送器將 PFM 信號轉換為標準電信號，再將標準電信號送入 DCS ；原型號變送器為四線(xiàn)制，其與 DCS 的電源接口

和信號接口是分開(kāi)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，wuxu再使用電容式液位變送器進(jìn)行信號轉換，新型號探頭為兩線(xiàn)制，即電源接口同時(shí)也是信號接口；DCS 通過(guò) 2 根導線(xiàn)向新型號探頭提供 24VDC 電源，同時(shí)也通過(guò)這 2 根導線(xiàn)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(wú)源信號。新、原型號液位開(kāi)關(guān)均由探頭和變送器組成，均由變送器將探頭輸出的 PFM 信號轉換為開(kāi)關(guān)信號，變送器均可輸出液位開(kāi)關(guān)信號和故障報警信號，與 DCS 的信號接口均為干接點(diǎn)，與 DCS 的電源接口均為 24VDC 電源。原型號液位開(kāi)關(guān)變送器為卡槽安裝，與 DCS 模塊安裝方式相同，可在 DCS 柜內模塊機架上；而新型號液位開(kāi)關(guān)變送器為 DIN 標準導軌安裝，無(wú)法安裝在DCS 柜內，只能安裝在就地的接線(xiàn)箱，這導致 DCS 要向柜外變送器供電并采集信號。為滿(mǎn)足新型號液位計 / 開(kāi)關(guān)的接口功能，并保證 DCS 柜內 AI/DI 模塊的其他通道不受液位計 / 開(kāi)關(guān)所在通道故障的影響，本文給出了電容式液位計 / 開(kāi)關(guān)升級換型及其與 DCS 接口改進(jìn)設計方案，并進(jìn)行了相關(guān)影響分析。

 

1 液位計升級換型及其與DCS接口改進(jìn)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；探頭為兩線(xiàn)制，變送器通過(guò) 2 根導線(xiàn)向探頭供電，并接收探頭輸出的 PFM信號。變送器為四線(xiàn)制 [1]，變送器通過(guò) 2 根導線(xiàn)接受來(lái)自DCS 柜內斷路器的 24VDC 電源，并通過(guò)另外 2 根導線(xiàn)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，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(huì )影響 DCS 柜內 AI 模塊對其他通道的信號采集。新型號液位計僅為探頭，不再采用單好的變送器。探頭為兩線(xiàn)制，信號處理模塊通過(guò) 2 根導線(xiàn)向探頭供電，并接收探頭輸出的 4mA ～ 20mA 無(wú)源信號 [2]。信號處理模塊 將 輸 入 端 的 4mA ～ 20mA 無(wú) 源 信 號 轉 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(huì )影響 DCS 柜內 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。

2 液位開(kāi)關(guān)升級換型及其與DCS接口改進(jìn)設計

原型號液位開(kāi)關(guān)、新型號液位開(kāi)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(kāi)關(guān)與原型號液位開(kāi)關(guān)的相同點(diǎn)：

1）液位開(kāi)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(xiàn)制，變送器通過(guò) 2 根導線(xiàn)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(kāi)的，變送器通過(guò) 2 根導線(xiàn)接受來(lái)自 DCS 柜內斷路器的 24VDC電源，并通過(guò)另外 4 根導線(xiàn)輸出 2 個(gè)干接點(diǎn)信號（分別為液位開(kāi)關(guān)信號和故障報警信號）。

 

◇ 新型號液位開(kāi)關(guān)與原型號液位開(kāi)關(guān)的不同點(diǎn)：

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

 

b）由于上述安裝位置的不同，原型號液位開(kāi)關(guān)變送器通過(guò) DCS 柜內導線(xiàn)與 DCS 設備相連，而新型號液位開(kāi)關(guān)變送器通過(guò) DCS 柜外電纜與 DCS 設備相連。因為原型號液位開(kāi)關(guān)變送器的輸入與其他回路電氣隔離，且安裝在 DCS 機柜內，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(huì )影響 DCS 柜內 DI 模塊對其他通道的信號采集。

 

在液位開(kāi)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 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(shí)可熔斷保險絲 / 導通二極管以保護柜內設備。新型號液位開(kāi)關(guān)變送器從向原型號液位開(kāi)關(guān)變送器供電的斷路器下游取電。

 

3 影響分析

3.1 設備基本信息

本文以 6 個(gè)液位計和 2 個(gè)液位開(kāi)關(guān)升級換型為例進(jìn)行說(shuō)明，設備基本信息示例見(jiàn)表 1，以下影響分析過(guò)程均在此假設和示例的基礎上進(jìn)行。

 

3.2 DCS柜內模塊布置空間影響分析

考慮液位計 / 開(kāi)關(guān)升級換型前后在 DCS 柜內安裝的設備差異，即在液位計 / 開(kāi)關(guān)升級換型前 DCS 柜內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 / 開(kāi)關(guān)升級換型后 DCS 柜內安裝的模塊為信號處理模塊、隔離模塊和超電壓保護模塊，需要根據各模塊的數量和寬度來(lái)評估對布置空間的影響，根據表 1 的數據計算如下：

1）液位計升級換型改進(jìn)前 DCS 柜內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(jìn) 后 DCS 柜 內 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(jìn)后 DCS 柜內模塊需占用的空間將變小，DCS 柜內現有空間滿(mǎn)足液位計升級換型改進(jìn)的需要，wuxu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(kāi)關(guān)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(gè)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：

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(kāi)關(guān)的供電設計：新型號液位開(kāi)關(guān)變送器的供電保持與對應通道的原型號液位開(kāi)關(guān)變送器供電相同。液位計 / 開(kāi)關(guān)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(gè)原型號變送器變?yōu)?1 個(gè)信號處理模塊（1 個(gè)通道）和 1 個(gè)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(jìn)行求和計算得出液位計升級換型后斷路器 B2（或 B3）的下游負荷。

b）斷路器 B4 的下游負載為 2 個(gè)信號處理模塊（每個(gè)信號處理模塊使用了 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(gè)新型號液位開(kāi)關(guān)變送器，所以液位開(kāi)關(guān)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(gè)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(mǎn)足要求；否則下游分斷路器的額定容量不滿(mǎn)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 表 1 所 列 的 設 備 數 量 和 額 定 電 流 信 息， 液 位計 / 開(kāi) 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(kāi)關(guān)升級換型前 DCS 機柜的電流相加得出液位計 / 開(kāi)關(guān)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(mǎn)足液位計 / 開(kāi)關(guān)升級換型后 DCS 機柜電流的需求。如液位計 / 開(kāi)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(mǎn)足要求；否則上游總斷路器的額定容量不滿(mǎn)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(guān)系，以防止發(fā)生斷路器越級脫扣現象。

 

4 結束語(yǔ)

本文給出了液位計 / 開(kāi)關(guān)升級換型及其與 DCS 接口改進(jìn)設計方案，能夠滿(mǎn)足新型號液位計 / 開(kāi)關(guān)的接口功能，并保證 DCS 柜內 AI/DI 模塊的其他通道不受液位計 / 開(kāi)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。