DCS中4～20 mA电流冗余输出实现方法分析

吴胜华，田海波

(南京国电南自维美德自动化有限公司，南京 210032)

DCS中4～20 mA电流冗余输出实现方法分析

吴胜华，田海波

(南京国电南自维美德自动化有限公司，南京 210032)

介绍了分散式控制系统(DCS)4～20 mA电流输出回路的实现原理，在此基础上介绍了3种4～20 mA电流冗余输出的实现方法，并针对各自的优缺点进行了分析。

工业控制；分散控制系统；冗余

0 引言

在工业控制过程中，经常需要对一些参数进行测量，而一般传感器的输出信号较弱，不适合远距离传输。4～20 mA电流回路由于比电压调制信号具有更好的抗干扰性能，信号适合远距离传输，因此成为工业过程控制的标准。所以，标准的4～20 mA传感器和变送器设备在工业过程控制中有大量应用[1]。

阀门、电机等设备大多由4～20 mA电流驱动，基本上都是单输出，不具备冗余功能，而且电流输出的有效性不能快速反馈。由于模件硬件故障造成实际输出的电流与所需要输出的电流大小差异很大时，将会导致上述设备不能正常工作，严重时甚至会引发生产故障。

1 电流输出原理

在分散式控制系统(DCS)中，4～20 mA电流输出原理如图1所示。在电流输出前设置模拟开关，利用模件内置CPU控制电流输出。DL/T 1083—2008《火力发电厂分散控制系统技术条件》规定：模拟量4～20 mA 输出方式应至少能够驱动回路阻抗不大于600 W的负载[2]，为了不影响带负载能力，所以采样电阻的阻值必须要小。

AO模件的输出电流始终在4 mA以上，因此在输出电路中增加过零比较电路。当AO模件正常输出电流且负载正常时，采样电阻上的压降使比较电路输出低电平；当AO模件正常输出电流但负载断线时，采样电阻压降为0 V，比较电路输出为高电平。AO模件内置CPU监测到此电平信号并将此状态信息上传到过程控制站(DPU)。模件初始上电时，开关默认断开；当模件收到DPU下发的电流输出指令时，闭合开关，输出对应的控制电流，可有效避免在正常过程控制中因为更换AO模件时而引起的被控设备扰动。

图1 4～20 mA电流输出原理框图

2 实现方法

基于上述电流输出的原理，电流冗余输出有如下几种模式。

2.1 方法1

如图2所示，两个独立的AO模件电流输出控制同一个设备(负载)。

图2 DPU主导的冗余

图2中，由DPU决定其中一个模件输出控制电流信号，另外一个模件时刻处于备用状态。当输出控制电流信号的模件发生故障时，诸如负载断线、DPU通信失联等，它将把故障信息提交给DPU，同时自身停止输出控制电流；DPU接收到故障信息后，发出指令使备用的AO模件输出指定电流。此方法

采用两个不同的模件控制同一个设备，冗余可靠性较高，但是切换的控制权在DPU，冗余切换的时间较长[3]。

2.2 方法2

如图3所示，由同一个模件的不同电流输出通道控制同一个设备，其中只有一个通道输出电流信号，另外一个通道时刻处于备用状态。当监测到模件输出电流信号的通道发生故障时，将断开此路模拟开关并停止输出控制电流，同时在配置的另一路通道输出对应的电流。此方法实现简单，发生故障时冗余切换速度比较快，对设备扰动较小，但是此方法只能抵御通道损坏、负载断线等故障，对模件级不能达到冗余要求，冗余可靠性较低。

图3 单模件自身实现的冗余

2.3 方法3

如图4所示，AO模件1和模件2被配置为1组冗余输出的模件。2模件的DO输出分别接入到对方的DI输入；2模件的电流输出并联到负载的两端。

图4 双模件实现的冗余

被配置为主控模式的AO模件按DPU指令输出控制电流，同时建立自身的工作正常信号；被配置为辅控模式的AO模件，只接收DPU指令并不输出控制电流；当主控模件监测到自身故障时，将取消自身的工作正常信号，同时向DPU发送故障信息；辅控模式的模件时刻监测主控模件的工作状态信号，一旦发现此信号异常，则按接收到DPU的指令输出电流，接管对设备的控制。此方法在故障发生时，冗余切换速度比较快，对设备扰动较小，同时采用两块独立的模件实现对同一设备的控制，冗余可靠性较高，缺点在于电路设计有点复杂，成本较高。

3 结束语

上述3种冗余电流实现方法在各家DCS中都有体现，用户可根据自身设备的实际需要选用合适的方法。

[1]王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社,2016.

[2]火力发电厂分散控制系统技术条件：DL/T 1083—2008[S].

[3]王丹麟，吴胜华，马伟东.maxDNA分散控制系统I/O模件冗余实现机制[J].华电技术，2015,37(4)：22-24.

(本文责编：刘炳锋)

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2017-02-16；

2017-03-20

TK 321

B

1674-1951(2017)04-0044-02

吴胜华(1977—)，男，湖北荆门人，高级工程师，工学硕士，从事分散控制系统研发设计方面的工作(E-mail:shenghua-wu@sac-valmet.com)。

田海波(1985—)，男，江苏南京人，工程师，工学硕士，从事分散控制系统研发设计方面的工作(E-mail:haibo-tian@sac-valmet.com)。