現(xiàn)場兩線制儀表應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，如各種兩線制壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、溫度變送器、兩線制物位變送器、兩線制成分變送器等等。目前，兩線制現(xiàn)場儀表普遍使用控制系統(tǒng)的I/O卡件、配電器、智能調(diào)節(jié)器、無紙記錄儀、數(shù)顯表的配電功能提供24VDC電源。如果以一臺采用壓力變送器構(gòu)成的顯示系統(tǒng)為例，采用DC24V電源、配電器所提供的24VDC電源構(gòu)成的系統(tǒng)及接線原理見圖1，采用帶配電功能數(shù)顯表構(gòu)成的系統(tǒng)及接線原理見圖2。
圖1 采用電動單元組合儀表構(gòu)成的系統(tǒng)及接線原理圖
圖2 采用帶配電功能數(shù)顯表構(gòu)成的系統(tǒng)及接線原理圖
比較圖1、圖2，可以看到采用帶配電功能的儀表后，不僅設(shè)備減少了兩臺(DC24V電源、配電器)，而且除220VAC電源線外，相互間接線由圖1的6根減少到圖2的2根，因此這種方式構(gòu)成的系統(tǒng)簡單、價格低廉，在生產(chǎn)現(xiàn)場使用已經(jīng)非常普遍。
但是，在生產(chǎn)現(xiàn)場采用智能調(diào)節(jié)器、無紙記錄儀、數(shù)顯表配電功能所提供的24VDC電源向變送器供電方案時，往往碰到電源電壓大幅降低所導(dǎo)致兩線制變送器工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作的故障情況。
為什么會出現(xiàn)這些問題？問題的癥結(jié)在哪里？儀表廠家對配電問題功能應(yīng)有什么樣的考慮？用戶應(yīng)用時要注意哪些問題？本文對此作了一些探討。
1、兩線制24VDC供電儀表
兩線制壓力、差壓、流量變送器是典型的24VDC供電儀表，也是最早的兩線制儀表，雖然說的是24VDC供電，卻允許其實際供電電壓有一個較大的變化范圍，通常這個范圍是10.5VDC-45VDC。在產(chǎn)品樣本中常見到這樣一個插圖(如圖3所示)，說明了供電電壓與負(fù)載的關(guān)系。
圖3 變送器供電電壓與負(fù)載關(guān)系圖
圖3表明當(dāng)變送器的負(fù)載由小變大時，所要求的供電電壓也需要相應(yīng)提高，比如當(dāng)負(fù)載為600Ω時，變送器的供電電壓就應(yīng)該大于24V。按筆者的理解，這里所說的供電電壓應(yīng)該指的是配電設(shè)備提供的電壓，這個電壓一方面提供變送器自身所需的工作電壓，另一方面它還向負(fù)載電阻提供壓降(這個壓降在變送器輸出最大電流時達(dá)到最大值，通常最大電流取為21mA或22mA)。
由此可見，問題可以分解成三個方面：變送器要求工作電壓的高低；負(fù)載電阻的大小；配電設(shè)備提供電壓的穩(wěn)定性。
2、變送器要求工作電壓的高低
同作為兩線制壓力、差壓、流量變送器，其產(chǎn)品樣本中最低工作電壓有的為10.5V，有的為11V或12V，這個差別很小，應(yīng)用時稍加注意即可。需要留意的是帶就地液晶顯示器的變送器，它要求的最低工作電壓通常要高于這個電壓，如ABB公司MV2000T系列變送器，不帶就地液晶顯示器的變送器最低工作電壓為10.5V，帶就地液晶顯示器的變送器最低工作電壓為14V。在現(xiàn)場使用這種變送器時，當(dāng)變送器兩端電壓降低到稍低于14V時，液晶顯示器就不工作了，但輸出電流信號或許還有。
除了兩線制壓力、差壓、流量變送器外，其它參數(shù)的變送器對工作電壓要求也不同，如兩線制物位計，其最低工作電壓往往高一些，表1列出了部分兩線制物位變送器的工作電壓范圍。
表1 部分兩線制物位變送器的工作電壓范圍
由于兩線制物位變送器本身的工作電壓要求較高，即使是配電電源的工作電壓能穩(wěn)定在24VDC，但當(dāng)負(fù)載電阻稍大(例如超過250Ω)且輸出電流較大時，由于負(fù)載兩端的壓降較大，兩線制物位變送器本身的工作電壓就可能達(dá)不到要求值。
比如某廠的SBLB靶式流量變送器、SBUT外浮筒液位變送器的產(chǎn)品樣本要求電源電壓為24VDC±5%，即22.8VDC-25.2VDC，數(shù)顯式溫度變送器的產(chǎn)品樣本要求電源電壓為24VDC±10%，即22.6VDC-26.4VDC，這些變送器對電源電壓的要求比兩線制物位變送器還高。
3、負(fù)載電阻的大小
圖3已經(jīng)介紹了變送器的最低工作電壓要適應(yīng)負(fù)載電阻大小的要求，所以一定要對變送器輸出回路的負(fù)載情況有大致的了解，比如對調(diào)節(jié)器、無紙記錄儀、數(shù)顯表來說，有時變送器的4-20mA電流信號送到這些儀表時是通過250Ω采樣電阻后以電壓信號方式輸入的，那么從圖3可以了解到變送器的最低工作電壓至少應(yīng)該是16.5V。有時也會在變送器的4-20mA電流信號回路中再串一些負(fù)載。如信號需在兩處顯示時串接兩臺數(shù)顯表或信號在一臺表上記錄的同時還送到調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，這樣往往使負(fù)載達(dá)到500Ω，兩線制變送器的工作電壓則進(jìn)一步降低。
4-20mA+HART通訊輸出的智能型變送器，當(dāng)與手操器或與PC機(jī)相連接時，均要求回路中至少有250Ω(或200Ω)的負(fù)載才能正常通訊，所以在多數(shù)情況下，250Ω的負(fù)載是必須要考慮的。
一些公司還提供了根據(jù)供電電壓計算負(fù)載的公式，可以確定在保證供電電壓情況下的最大負(fù)載RL(Ω)。
式中：Us為配電電源保證的供電電壓，V；Umin為變送器要求的最低工作電壓，V；Imax為變送器的最大工作電流，A，通?？扇?.022。
4、配電設(shè)備提供電壓的穩(wěn)定性
以往采用24VDC電源箱或開關(guān)電源(容量通常較大，如15A、10A、5A等等)，所帶儀表及變送器的數(shù)量相對較少時電源的穩(wěn)定性較好，前面所說的問題筆者在現(xiàn)場還從未碰到過。如今采用無紙記錄儀、數(shù)顯表所帶配電功能供電，筆者在短短兩三年內(nèi)就碰到三四次，其中有使用無紙記錄儀的，也有使用數(shù)顯表的，并涉及到多個生產(chǎn)廠家，說明還是一個較為普遍存在的問題。
在采用某公司帶配電功能的數(shù)顯表向VAGPULS系列雷達(dá)物位計供電時，出現(xiàn)4-20mA信號大幅波動、工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作的故障情況。經(jīng)測試，在物位計上的工作電壓遠(yuǎn)低于表1要求的20VDC，只好不用數(shù)顯表的配電功能，臨時增加一臺24VDC開關(guān)電源向雷達(dá)物位計供電，所輸出的4-20mA信號送至數(shù)顯表顯示。
在采用某公司帶配電功能的無紙記錄儀向ABB公司MV2000T系列智能變送器供電時，出現(xiàn)4-20mA信號大幅波動及就地數(shù)字顯示表頭無顯示的問題，經(jīng)測試，無紙記錄儀帶負(fù)載后，有的儀表供電電壓降至17V，在智能變送器電源端子上測得的電壓往往低于14V，對另一臺帶配電功能的無紙記錄儀測試結(jié)果是儀表供電電壓帶負(fù)載后降至21V。由于生產(chǎn)裝置投運前，大部分變送器還未承受壓力和差壓，輸出電流為4mA，在無紙記錄儀的輸入端250Ω電阻上壓降僅為1V，智能變送器供電所需電壓尚能保證，待生產(chǎn)裝置投運后，部分變送器均承受正常的壓力和差壓，其工作電流上升到12-20mA之間，250Ω電阻上壓降迅速上升，而智能變送器供電所需電壓迅速下降，于是問題都暴露出來。經(jīng)查看產(chǎn)品使用說明書，無紙記錄儀每一個配電回路的最大電流為30mA，似乎應(yīng)該能保證變送器的供電。向生產(chǎn)廠家反映多次后，廠家才重視這個問題，并派專人攜帶改造后的配電板到現(xiàn)場，將原有配電板換下后，所有智能變送器工作恢復(fù)正常，現(xiàn)場測試表明：儀表供電電壓帶負(fù)載后僅降低少許，約在23.8-24V之間。經(jīng)向儀表廠家來現(xiàn)場技術(shù)人員了解，他們只不過將電源回路一個限流電阻由27Ω減少到10Ω，從而使無紙記錄儀每一個配電回路的內(nèi)部壓降減少，而最大輸出電流由30mA增大到大于50mA，問題就這樣解決了。
筆者查閱了部分智能調(diào)節(jié)器、無紙記錄儀、數(shù)顯表產(chǎn)品的樣本，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)這類儀表所帶配電功能對每個回路的最大輸出電流為20-30mA。東輝DY2000數(shù)字顯示儀老樣本中配電部分的參數(shù)是24VDC，最大電流30mA，而新版資料中則將最大電流改為50mA；無獨有偶，宇光數(shù)字顯示儀5.0版樣本中配電部分的參數(shù)是DC24V，最大電流25mA，而6.0版新資料中則將最大電流改為50mA。而在索思、萬訊數(shù)字顯示儀產(chǎn)品的樣本中，配電部分的參數(shù)是DC24V，最大電流50mA?？磥硪灿胁簧購S家在用戶使用過程中發(fā)現(xiàn)了這一問題，早已對此作了改動。但是也有相當(dāng)一部分廠家配電部分的參數(shù)仍采用24VDC，最大電流30mA的指標(biāo)。
在專用配電設(shè)備的技術(shù)資料中，筆者發(fā)現(xiàn)國外公司產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格中有三點很吸引人：
①日本橫河公司YS-80系列的SDND電源箱，它的輸出電壓可用轉(zhuǎn)換開關(guān)在23～26V、26～28V兩檔之間切換，也就是說，當(dāng)用電設(shè)備的供電電壓要求較高或負(fù)載較大時，可以將電源箱的輸出電壓調(diào)到26～28V這一檔；
②日本橫河公司I系列的5223電源箱，它提供了輸出端負(fù)載電流從0%變化到100%時，電源箱輸出電壓的相對變化小于-6%(如負(fù)載電流0%時，電源箱輸出電壓為24V，那么，輸出端負(fù)載電流100%時，電源箱輸出電壓也應(yīng)大于22.56V)；
③美國Foxboro公司762型可編程序調(diào)節(jié)器的配電功能中提到向現(xiàn)場變送器提供標(biāo)稱28V電源，而在其前期產(chǎn)品761型可編程序調(diào)節(jié)器向現(xiàn)場變送器提供的是標(biāo)稱25V電源。
5、結(jié)語
用戶在使用帶24VDC配電功能的儀表時要關(guān)注兩線制現(xiàn)場儀表用電電壓的要求及實際負(fù)載大小，否則也有可能超出數(shù)顯表配電的實際能力，使現(xiàn)場儀表不能正常使用。
兩線制現(xiàn)場儀表用電最低電壓的要求是不一樣的，雖然標(biāo)稱電壓都是24VDC，但低的可以是10.5V，高的卻要求22V或更高。兩線制現(xiàn)場儀表的實際負(fù)載取決于其輸出4-20mA電流回路連接了幾臺儀表及每臺儀表的采樣電阻值的大小，通常情況下4-20mA電流回路連接的儀表數(shù)不要超過2臺，總采樣電阻值不超過500Ω。
凡帶配電功能的儀表，其配電功能的技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)該能完整表述，例如應(yīng)達(dá)到以下要求：對每個配電回路的最大輸出電流≥50mA，當(dāng)輸出端負(fù)載電流從0%變化到100%時配電回路輸出電壓的相對變化率的指標(biāo)(如10%，或20%)。
凡帶配電功能的儀表對4-20mA回路的采樣電阻為250Ω時，由于至少有一部分供電電壓降在這個電阻上，建議其標(biāo)稱輸出電壓提高為28V。
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