工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場實際測控問題分析

張書文

(新疆八一鋼鐵股份有限公司能源中心)

1 問題的提出

在工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜現(xiàn)場，對工藝生產(chǎn)過程進(jìn)行的溫度、流量、液位、壓力、成分等過程參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程精準(zhǔn)實時監(jiān)控，是生產(chǎn)信息大數(shù)據(jù)分散采集、集中智能化管理、安全生產(chǎn)信息預(yù)警的基本要求，也是提高工業(yè)二次能源產(chǎn)品回收利用平衡,對重要過程所建立的EMS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息溯源要求。

測控技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)字信息化發(fā)展的基礎(chǔ),工業(yè)現(xiàn)場各類熱工參數(shù)、位置檢測信號的轉(zhuǎn)換/變送的模擬量信息傳輸和采集顯示裝置(模塊)的性能匹配，都直接影響著過程的測量和控制精度。筆者結(jié)合鋼鐵生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用中遇到的實際問題，從測控理論角度進(jìn)行分析，旨在為現(xiàn)場測控設(shè)備功能/精度的調(diào)試和問題的有效處理提供參考。

2 有關(guān)測控問題分析

2.1 二線制變送器輸出和控制室AI采集連接信號“差異”分析

在某鋼廠日常點檢過程中發(fā)現(xiàn)：高爐控制室操作畫面顯示的爐頂壓力值比現(xiàn)場顯示值大,經(jīng)在現(xiàn)場檢測變送器和控制室采集模塊處分別用電流表觀測測試實時變化的4～20mA信號值,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場變送器和控制室采集模塊處信號不一樣，且現(xiàn)場變送器輸出的電流信號小于控制室采集模塊處的電流信號。

分析認(rèn)為,二線制檢測變送器使用中隨著熱工參數(shù)的變化，它相當(dāng)一個可變的電阻負(fù)載改變著檢測回路電流，從而反映出熱工參數(shù)的變化，此時測得的回路信號在兩處不一樣的原因是由于信號測量回路絕緣電阻值下降引起的。

測試方法：其實際線路測試見示意圖1，等效測試電路見圖2。

圖1 線路測試示意圖

圖1中電流表1和電流表2分別串聯(lián)在測試線路的中控配電室配電模塊處和生產(chǎn)系統(tǒng)測量變送器的現(xiàn)場，R線代表電纜傳輸線路的絕緣電阻，現(xiàn)場變送器可以用一個可變電阻RL代表。其等效測試原理圖見圖2。

圖2 等效測試原理圖

從圖示2可以看出，測試系統(tǒng)的構(gòu)成模型原理十分簡單有效。當(dāng)電流表1和電流表2顯示電流一致時，說明傳輸線路的絕緣電阻沒有問題，即R線無窮大；當(dāng)電流表1和電流表2顯示電流不一致時，說明傳輸線路的絕緣電阻出現(xiàn)問題，即R線上有分流電流流過。

對于現(xiàn)場大量的生產(chǎn)過程檢測信號使用的信號電纜由于傳輸線路絕緣問題，則可能使過程控制參數(shù)失真而發(fā)生安全生產(chǎn)事故，只要通過對測控儀表設(shè)備進(jìn)行精密的過程點檢測試,建立使用解決這類問題的測試模型才能發(fā)現(xiàn)和避免這類問題的發(fā)生。

2.2 電壓信號采集回路的測試分析

在測量電壓信號E的電路中串接一個電阻元件W,當(dāng)W阻值遠(yuǎn)小于測量儀表V的輸入內(nèi)阻時, 對測量結(jié)果沒有影響；當(dāng)串接的電阻元件阻值很大，與測量儀表V的輸入內(nèi)阻在同一個量級上時，其測量結(jié)果對比不串接的電阻元件測量結(jié)果值增大，該值為接近“真值”的電壓信號值。測試電路如圖3。

通過內(nèi)控流程體系進(jìn)行業(yè)務(wù)層面控制，能夠梳理各業(yè)務(wù)流程，突出流程中主要風(fēng)險及關(guān)鍵控制點，更加清晰的反映企業(yè)實際生產(chǎn)經(jīng)營過程中面臨的風(fēng)險，并實施針對性控制，加強(qiáng)企業(yè)對于風(fēng)險的反應(yīng)及處理能力。同時，也易于企業(yè)按照流程體系對風(fēng)險控制情況進(jìn)行檢查監(jiān)督。企業(yè)需要注意的是，以流程形式實施業(yè)務(wù)層面的內(nèi)部控制，既要堅持全面性原則，盡可能全過程、全方位、全覆蓋，又要堅持成本效益原則，突出重點，以控制有效來保證經(jīng)營高效。

圖3 電壓信號測試電路

在測量電壓的回路中，測量回路的導(dǎo)線電阻相當(dāng)于被測電壓信號的內(nèi)阻，當(dāng)測量儀表輸入內(nèi)阻不是很高時，測量回路仍有微小電流，則測量回路導(dǎo)線上就產(chǎn)生壓降，測量結(jié)果就不是真實信號電壓值。當(dāng)在測量電壓信號的電路中串接一個電阻元件，且與測量儀表的輸入內(nèi)阻在同一個量級上時，測量回路的微小電流會減小并趨于零，則測量回路導(dǎo)線上產(chǎn)生壓降為零或減小，測量結(jié)果就接近真實信號電壓值。因此，要提高測量精度，可以采用在測量電壓信號的電路中串接一個電阻元件的方法來實現(xiàn)。筆者認(rèn)為，電壓信號要實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，可以在傳輸回路中串接一個很大的電阻元件來保證。

2.3 DCS、PLC的AO模塊輸出4～20mA信號測試

2.3.1 驅(qū)動電壓測試

DCS、PLC及其它測控裝置輸出的4～20mA信號的AO模塊及裝置，以“驅(qū)動電壓”來描述，其測試原理如圖4。

圖4 驅(qū)動測試原理圖

測試方法步驟：(1)外部激勵(通過系統(tǒng)構(gòu)架中的AO模塊及裝置的前一級配置的功能模塊信號)來調(diào)整使AO模塊輸出電流為20mA；(2)調(diào)電位器W值為0Ω；(3)記錄mA表上的示值(20mA)；(4)調(diào)圖中電位器W(增大)，觀察電壓表數(shù)值，直到電壓表上示值和技術(shù)規(guī)格書上要求的值一樣；(5)再次讀取記錄mA表上的示值；(6)比較(3)和(5)兩步mA表上的示值是否相同，若一樣說明其驅(qū)動能力達(dá)到要求。

步驟(3)和(5)mA表上的示值相同，也說明AO模塊、測控裝置滿足了一定驅(qū)動能力下的恒流性能；若mA表上的示值不相同，說明AO模塊、裝置電流輸出模塊滿足不了技術(shù)規(guī)格書上要求的驅(qū)動能力。

2.3.2 測控設(shè)備電流輸出(AO模塊)開路電壓應(yīng)用

DCS、PLC及其它測控設(shè)備輸出4～20mA信號的AO模塊及裝置，技術(shù)參數(shù)指標(biāo)描述為“開路電壓”。開路電壓一定意義可以代表AO模塊、裝置對負(fù)載的驅(qū)動能力這一關(guān)鍵參數(shù)的基本描述，但它不是電流AO模塊及測控裝置對負(fù)載驅(qū)動電壓的表述。一般認(rèn)為相同品牌產(chǎn)品的電流輸出AO模塊及裝置開路電壓大，驅(qū)動能力(電壓)就大，但對不同品牌產(chǎn)品的電流輸出AO模塊及裝置其開路電壓的大小就不能同比分析。開路電壓一般描述的都是最大值不能超出某一值，限制要求的目的是保護(hù)AO模塊本身。

2.3.3 測控設(shè)備恒流性能的保證條件分析論證

儀表檢測各類電流型變送器及DCS、PLC系統(tǒng)中電流輸出模塊，其負(fù)載電阻要 求0～500Ω是確保其恒流性能指標(biāo)要求的一個技術(shù)參數(shù)，在0～500Ω負(fù)載變化范圍內(nèi)恒流性能不變。

對一個輸出4～20mA的變送器在24VDC配電情況下，測試其恒流性能方法是：輸出線路上接上負(fù)載電阻箱，從0～1000Ω不斷調(diào)值上升，觀察變送器在一定電流輸出條件下的變化情況，如果在某負(fù)載值時突然下降，則該阻值就是變送器的最大負(fù)載電阻值。其基本原理是通過輸出電路的晶體管發(fā)射結(jié)Vce電壓的變化，使晶體管導(dǎo)通能力發(fā)生變化，從而保證變送器4～20mA電流輸出的恒定。

在變送器配電允許范圍內(nèi)提高供電電壓,可以提高恒流性能。

2.4 連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的“偏差”與PID輸出關(guān)系

PID調(diào)節(jié)輸出是因系統(tǒng)出現(xiàn)偏差而產(chǎn)生的，當(dāng)偏差“消失”PID輸出是否為“零”，需要分析。

連續(xù)調(diào)節(jié)的目的是為了消除偏差，一個擾動過程調(diào)節(jié)過后,常常認(rèn)為“偏差”應(yīng)該為“零”，而實際上偏差的“消失”是一個動態(tài)平衡的過程結(jié)果，而不是一個靜態(tài)的“消失”，這種偏差“消失”PID輸出不會為“零”。在被調(diào)參數(shù)由于其它關(guān)聯(lián)參數(shù)發(fā)生變化(即干擾)引起變化時,經(jīng)PID調(diào)節(jié)達(dá)到新的穩(wěn)定后(被調(diào)節(jié)參數(shù)又回到原來的設(shè)定值上)的輸出電流值并不是原來的輸出電流值,這是因為PID調(diào)節(jié)器輸出值的大小不是由被調(diào)節(jié)參數(shù)本身“偏差”的單方面因素來決定，而是由被調(diào)節(jié)參數(shù)的其它關(guān)聯(lián)參數(shù)發(fā)生變化引起新的波動“偏差”，所以當(dāng)被調(diào)參數(shù)發(fā)生所謂的變化后，經(jīng)調(diào)節(jié)達(dá)到新的穩(wěn)定后偏差不是真正“消失”，因而也就決定了其PID輸出不會是“零”。

例如：某一氣體介質(zhì)其設(shè)計的流量回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)在一給定的流量調(diào)節(jié)參數(shù)500m3/h時，PID輸出11mA，現(xiàn)該給定的流量調(diào)節(jié)參數(shù)未改變，但系統(tǒng)在某一時刻PID輸出卻發(fā)生變化升為14mA。分析認(rèn)為，是由于被調(diào)介質(zhì)的壓力、溫度變化影響或介質(zhì)管道發(fā)生阻塞等，使被調(diào)參數(shù)的檢測值下降引起的。所以系統(tǒng)在某時刻后的一個過程中穩(wěn)定，其流量參數(shù)值依然是500m3/h穩(wěn)定后的PID輸出值14mA，而不是11mA。

通過對一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)計算，來驗證調(diào)節(jié)參數(shù)的“偏差”與PID輸出關(guān)系：現(xiàn)有一套液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，配置液位測量用變送器范圍為0～2000mmH2O，輸出4～20mA，調(diào)節(jié)器處于PID工況系統(tǒng)穩(wěn)定時，測得液位(Hs)為1200mmH2O調(diào)節(jié)器輸出為12mA，后在擾動作用下被調(diào)參數(shù)偏離了原來值，經(jīng)過一段時間又重新穩(wěn)定，但此時調(diào)節(jié)器輸出電流(Is)從12mA變?yōu)?5mA(設(shè)調(diào)節(jié)器開環(huán)增益為200)。計算分析Ii、Is、Hs

(1)計算調(diào)節(jié)系統(tǒng)實際設(shè)定值Hs，首先計算調(diào)節(jié)器輸入測量值Ii。

由2000∶(20-4)=1200∶(Ii-4)，則Ii=13.6mA又由(Ii-Is)×200=12，則設(shè)定值Is=13.54mA其對應(yīng)液位為Hs=2000×(13.54-4)/16=1192.5mmH2O。

(2)調(diào)節(jié)結(jié)果的最終液位是在擾動作用后調(diào)節(jié)參數(shù)的偏差為：Ii-Is=15/200=0.075mA 得出:Ii=13.615mA對應(yīng)液位為Hs=2000×(13.615-4)/16=1201.875 mmH2O。

2.5 測控需要認(rèn)識的幾個問題

2.5.1 電流信號和電壓信號遠(yuǎn)程傳輸條件

儀表測控模擬信號使用電流信號mA和電壓信號mV，如果要進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，其基本條件要求分別是：電流信號mA遠(yuǎn)程傳輸要求其恒流性能條件所帶負(fù)載電阻越大越好(因為傳輸線路電阻應(yīng)視為負(fù)載電阻)；而電壓信號mV如果進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸要求其終端采集設(shè)備(或顯示儀表、AI卡件)的輸入內(nèi)阻越大越好(因為傳輸線路電阻應(yīng)視為mV電壓信號源內(nèi)阻)。

2.5.2 恒流源和定勢源內(nèi)阻測試

已知一個恒流源的電流為I,測出此恒流源的開路電壓U,得此恒流源的內(nèi)阻r=U/I。

已知一個定勢源的電壓為E,定勢源接一個負(fù)載電阻R，并串接電流表測得電流為I，根據(jù)E=I×(R+r)得到此定勢源的內(nèi)阻r=(E/I)-R。

2.5.3 變送器“12VDC—45VDC”的意義

壓力/差壓等變送器供電電壓技術(shù)指標(biāo)中標(biāo)注為12VDC—45VDC，表明其在該電壓下的信號源負(fù)載所保證的恒流性能，供電電壓高其恒流性能更好。如果一個變送器在信號傳輸中恒流性能降低，可以提高其供電電壓(但不能超出最大電壓值)來解決。

3 結(jié)束語

過程的連續(xù)控制系統(tǒng)離不開測控設(shè)備的精確檢測和變送信號的傳輸。當(dāng)前，工業(yè)現(xiàn)場總線雖然在測控技術(shù)方面已得到普遍應(yīng)用，但是測控的模擬量信號還是現(xiàn)場應(yīng)用的主流，大量的參數(shù)是通過檢測變送為模擬量進(jìn)行采集處理的，很多現(xiàn)場測控技術(shù)問題需要從理論上去分析研究解決?，F(xiàn)場測控過程中不要輕易錯判或誤判很多價值不菲的測控設(shè)備，否則會影響到測控系統(tǒng)應(yīng)用的功能精度。