現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(wú)紙記錄儀、數(shù)顯表的配電功能提供24VDC電源。如果以一臺(tái)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(jiàn)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(jiàn)圖2。
圖1 采用電動(dòng)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(tái)(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(jiǎn)單、價(jià)格低廉，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用已經(jīng)非常普遍。
但是，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用智能調(diào)節(jié)器、無(wú)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(shí)，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(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題？問(wèn)題的癥結(jié)在哪里？?jī)x表廠家對(duì)配電問(wèn)題功能應(yīng)有什么樣的考慮？用戶應(yīng)用時(shí)要注意哪些問(wèn)題？本文對(duì)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(shuō)的是24VDC供電，卻允許其實(shí)際供電電壓有一個(gè)較大的變化范圍，通常這個(gè)范圍是10.5VDC-45VDC。在產(chǎn)品樣本中常見(jiàn)到這樣一個(gè)插圖(如圖3所示)，說(shuō)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(shí)，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(shí)，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(shuō)的供電電壓應(yīng)該指的是配電設(shè)備提供的電壓，這個(gè)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(gè)壓降在變送器輸出最大電流時(shí)達(dá)到最大值，通常最大電流取為21mA或22mA)。
由此可見(jiàn)，問(wèn)題可以分解成三個(gè)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(gè)差別很小，應(yīng)用時(shí)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(gè)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(chǎng)使用這種變送器時(shí)，當(dāng)變送器兩端電壓降低到稍低于14V時(shí)，液晶顯示器就不工作了，但輸出電流信號(hào)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(duì)工作電壓要求也不同，如兩線制物位計(jì)，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(guò)250Ω)且輸出電流較大時(shí)，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(duì)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(duì)變送器輸出回路的負(fù)載情況有大致的了解，比如對(duì)調(diào)節(jié)器、無(wú)紙記錄儀、數(shù)顯表來(lái)說(shuō)，有時(shí)變送器的4-20mA電流信號(hào)送到這些儀表時(shí)是通過(guò)250Ω采樣電阻后以電壓信號(hào)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(shí)也會(huì)在變送器的4-20mA電流信號(hào)回路中再串一些負(fù)載。如信號(hào)需在兩處顯示時(shí)串接兩臺(tái)數(shù)顯表或信號(hào)在一臺(tái)表上記錄的同時(shí)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(shí)，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(jì)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，通常可取0.022。
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(kāi)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(duì)較少時(shí)電源的穩(wěn)定性較好，前面所說(shuō)的問(wèn)題筆者在現(xiàn)場(chǎng)還從未碰到過(guò)。如今采用無(wú)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(wú)紙記錄儀的，也有使用數(shù)顯表的，并涉及到多個(gè)生產(chǎn)廠家，說(shuō)明還是一個(gè)較為普遍存在的問(wèn)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(jì)供電時(shí)，出現(xiàn)4-20mA信號(hào)大幅波動(dòng)、工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作的故障情況。經(jīng)測(cè)試，在物位計(jì)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(shí)增加一臺(tái)24VDC開(kāi)關(guān)電源向雷達(dá)物位計(jì)供電，所輸出的4-20mA信號(hào)送至數(shù)顯表顯示。
在采用某公司帶配電功能的無(wú)紙記錄儀向ABB公司MV2000T系列智能變送器供電時(shí)，出現(xiàn)4-20mA信號(hào)大幅波動(dòng)及就地?cái)?shù)字顯示表頭無(wú)顯示的問(wèn)題，經(jīng)測(cè)試，無(wú)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(cè)得的電壓往往低于14V，對(duì)另一臺(tái)帶配電功能的無(wú)紙記錄儀測(cè)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(yùn)前，大部分變送器還未承受壓力和差壓，輸出電流為4mA，在無(wú)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(yùn)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(wèn)題都暴露出來(lái)。經(jīng)查看產(chǎn)品使用說(shuō)明書，無(wú)紙記錄儀每一個(gè)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(gè)問(wèn)題，并派專人攜帶改造后的配電板到現(xiàn)場(chǎng)，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(chǎng)測(cè)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(lái)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員了解，他們只不過(guò)將電源回路一個(gè)限流電阻由27Ω減少到10Ω，從而使無(wú)紙記錄儀每一個(gè)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(wèn)題就這樣解決了。
筆者查閱了部分智能調(diào)節(jié)器、無(wú)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(duì)每個(gè)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(wú)獨(dú)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(wàn)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。看來(lái)也有不少?gòu)S家在用戶使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了這一問(wèn)題，早已對(duì)此作了改動(dòng)。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(guó)外公司產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格中有三點(diǎn)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(kāi)關(guān)在23～26V、26～28V兩檔之間切換，也就是說(shuō)，當(dāng)用電設(shè)備的供電電壓要求較高或負(fù)載較大時(shí)，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(shí)，電源箱輸出電壓的相對(duì)變化小于-6%(如負(fù)載電流0%時(shí)，電源箱輸出電壓為24V，那么，輸出端負(fù)載電流100%時(shí)，電源箱輸出電壓也應(yīng)大于22.56V)；
③美國(guó)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(chǎng)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(chǎng)變送器提供的是標(biāo)稱25V電源。
5、結(jié)語(yǔ)
用戶在使用帶24VDC配電功能的儀表時(shí)要關(guān)注兩線制現(xiàn)場(chǎng)儀表用電電壓的要求及實(shí)際負(fù)載大小，否則也有可能超出數(shù)顯表配電的實(shí)際能力，使現(xiàn)場(chǎng)儀表不能正常使用。
兩線制現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)儀表的實(shí)際負(fù)載取決于其輸出4-20mA電流回路連接了幾臺(tái)儀表及每臺(tái)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(guò)2臺(tái)，總采樣電阻值不超過(guò)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(duì)每個(gè)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(shí)配電回路輸出電壓的相對(duì)變化率的指標(biāo)(如10%，或20%)。
凡帶配電功能的儀表對(duì)4-20mA回路的采樣電阻為250Ω時(shí)，由于至少有一部分供電電壓降在這個(gè)電阻上，建議其標(biāo)稱輸出電壓提高為28V。
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