常规仪表配电功能探讨

常规仪表配电功能探讨1概述两线制现场仪表应用已经非常普遍，如各种两线制压力、差压、流量变送器及近期越来越多的两线制温度变送器、两线制物位变送器、两线制成分变送器等等。在上世纪七十年代、八十年代，这类变送器所使用的24VDC电源都是由电动单元组合仪表中的配电器提供的，当进入九十年代后，电动单元组合仪表中的盘装、架装仪表被控制系统（DCS、PLC等）、智能调节器、无纸记录仪、数字显示仪所取代。变送器往往不再使用电动单元组合仪表中电源箱、配电器所提供的24VDC电源，而改为使用控制系统的I/O卡件、智能调节器、无纸记录仪、数字显示仪配电功能所提供的24VDC电源。如果以一台采用压力变送器构成的显示系统为例，采用电动单元组合仪表中电源箱、配电器所提供的24VDC电源构成的系统及接线原理见图1，采用带配电功能数字显示仪构成的系统及接线原理见图2。比较图1、图2，可以看到采用带配电功能的仪表后，不仅设备减少了两台（电源箱、配电器），而且除220VAC电源线外，相互间接线由图1的6根减少到图2的2根，因此这种方式构成的系统简单、价格低廉，在生产现场使用已经非常普遍。但是，在生产现场采用智能调节器、无纸记录仪、数字显示仪配电功能所提供的24VDC电源向变送器供电方案时，往往碰到电源电压大幅降低所导致变送器工作不稳定甚至不能正常工作的故障情况。为什么会出现这些问题？问题的症结在哪里？仪表生产厂家对配电问题功能应有什么样的考虑？用户应用时要注意哪些问题？本文对此作了一些探讨。2两线制24VDC供电仪表两线制压力、差压、流量变送器是典型的24VDC供电仪表，也是最早的两线制仪表，虽然说的是24VDC供电，却允许其实际供电电压有一个较大的变化范围，通常这个范围是10.5VDC~45VDC。在产品样本中常见到这样一个插图（如图3所示），说明了供电电压与负载的关系。图3表明当变送器的负载由小变大时，所要求的供电电压也需要相应提高，比如当负载为600Ω时，变送器的供电电压就应该大于24V。按笔者的理解，这里所说的供电电压应该指的是配电设备提供的电压，这个电压一方面提供变送器自身所需的工作电压，另一方面它还向负载电阻提供压降（这个压降在变送器输出最大电流时达到最大值，通常最大电流取为21mA或22mA）。由此可见，问题可以分解成三个方面：变送器要求工作电压的高低；负载电阻的大小；配电设备提供电压的稳定性。3变送器要求工作电压的高低同作为两线制压力、差压、流量变送器，其产品样本中最低工作电压有的为10.5V，有的为11V或12V，这个差别很小，应用时稍加注意即可。需要留意的是带就地液晶显示器的变送器，它要求的最低工作电压通常要高于这个电压，如ABB公司MV2000T系列变送器，不带就地液晶显示器的变送器最低工作电压为10.5V，带就地液晶显示器的变送器最低工作电压为14V。在现场使用这种变送器时，当变送器两端电压降低到稍低于14V时，液晶显示器就不工作了，但输出电流信号或许还有。除了两线制压力、差压、流量变送器外，其它参数的变送器对工作电压要求也不同，如两线制物位变送器，其最低工作电压往往高一些，表1列出了部分两线制物位变送器的工作电压范围。由于两线制物位变送器本身的工作电压要求较高，即使是配电电源的工作电压能稳定在24VDC，但当负载电阻稍大（例如超过250Ω）且输出电流较大时，由于负载两端的压降较大，两线制物位变送器本身的工作电压就可能达不到要求值。重庆川仪生产的SBLB靶式流量变送器、SBUT外浮筒液位变送器的产品样本要求电源电压为24VDC±5%，即22.8VDC~25.2VDC，SBWZ、SBWR数显式温度变送器的产品样本要求电源电压为24VDC±10%，即22.6VDC~26.4VDC，这些变送器对电源电压的要求比两线制物位变送器还高。4负载电阻的大小图3已经介绍了变送器的最低工作电压要适应负载电阻大小的要求，所以一定要对变送器输出回路的负载情况有大致的了解，比如对智能调节器、无纸记录仪、数字显示仪来说，变送器的4~20mA电流信号送到这些仪表时常常是通过250Ω采样电阻后以电压信号方式输入的，那么从图3可以了解到变送器的最低工作电压至少应该是16.5V。有时也会在变送器的4~20mA电流信号回路中再串一些负载。如信号需在两处显示时串接两台显示仪或信号在一台表上记录的同时还送到调节器进行控制，这样往往使负载达到500Ω，变送器的工作电压则进一步降低。一些有通讯功能的智能型变送器，当与手持式组态器或与PC机相连接时，要求带一定负载，例如Honeywell公司的ST900变送器、Foxboro公司的I/ASeries系列变送器、日本富士公司的FCX-AIII、艾默生罗斯蒙特公司的1151、3051系列智能变送器均要求回路中至少有250Ω（或200Ω）的负载，所以在多数情况下，250Ω的负载是必须要考虑的。一些公司还提供了根据供电电压计算负载的公式，可以确定在保证供电电压情况下的最大负载RL（Ω）。RL=(Us-Umin)/Imax式中：Us为配电电源保证的供电电压，V；Umin为变送器要求的最低工作电压，V；Imax为变送器的最大工作电流，A，通常可取0.022。5配电设备提供电压的稳定性以往采用电动III型仪表的配电器时，由于其24VDC电源来自专用24VDC电源箱，电源箱容量通常较大，如15A、10A、5A等等，所带仪表及变送器的数量则相对较少，所以电源的稳定性较好，前面所说的问题笔者在现场还从未碰到过。如今采用无纸记录仪、数字显示仪所带配电功能供电，笔者在短短两三年内就碰到三四次，其中有使用无纸记录仪的，也有使用数字显示仪的，并涉及到多个生产厂家，说明还是一个较为普遍存在的问题。在采用福光百特公司带配电功能的数字显示仪向天威公司VAGPULS系列雷达料位计供电时，出现4~20mA信号大幅波动、工作不稳定甚至不能正常工作的故障情况。经测试，在雷达料位计上的工作电压远低于表1要求的20VDC，只好不用数字显示仪的配电功能，临时增加一台专用24VDC电源向雷达料位计供电，所输出的4~20mA信号送至数字显示仪显示。在采用浙大中控公司新型MultiFR2000带配电功能的无纸纪录仪向ABB公司MV2000T系列智能变送器供电时，出现4~20mA信号大幅波动及就地数字显示表头无显示的问题，经测试，无纸纪录仪带负载后，有的仪表供电电压降至17V，在智能变送器电源端子上测得的电压往往低于14V，对另一台浙大中控公司带配电功能的无纸记录仪JL-22测试结果是仪表供电电压带负载后降至21V。由于生产装置投运前，大部分变送器还未承受压力和差压，输出电流为4mA，在无纸记录仪的输入端250Ω电阻上压降仅为1V，智能变送器供电所需电压尚能保证，待生产装置投运后，部分变送器均承受正常的压力和差压，其工作电流上升到12~20mA之间，250Ω电阻上压降迅速上升，而智能变送器供电所需电压迅速下降，于是问题都暴露出来。经查看产品使用说明书，无纸记录仪每一个配电回路的最大电流为30mA，似乎应该能保证变送器的供电。向生产厂家反映多次后，厂家才重视这个问题，并派专人携带改造后的配电板到现场，将原有配电板换下后，所有智能变送器工作恢复正常，现场测试表明：仪表供电电压带负载后仅降低少许，约在23.8~24V之间。经向浙大中控来现场技术人员了解，他们只不过将电源回路一个限流电阻由27Ω减少到10Ω，从而使无纸纪录仪每一个配电回路的内部压降减少，而最大输出电流由30mA增大到50mA，问题就这样解决了。笔者查阅了部分智能调节器、无纸记录仪、数字显示仪产品的样本，发现大多数这类仪表所带配电功能对每个回路的最大输出电流为20~30mA。福建东辉公司DY2000数字显示仪老样本中配电部分的参数是24VDC，最大电流30mA，而2003年7月新版资料中则将最大电流改为50mA；无独有偶，福建宇光公司数字显示仪5.0版样本中配电部分的参数是DC24V，最大电流25mA，而6.0版新资料中则将最大电流改为50mA。而在天富公司、天津索思电脑公司、深圳万讯公司数字显示仪产品的样本中，配电部分的参数是DC24V，最大电流50mA。看来也有不少厂家在用户使用过程中发现了这一问题，早已对此作了改动。但是也有相当一部分厂家配电部分的参数仍采用24VDC，最大电流30mA的指标。在专用配电设备的技术资料中，笔者发现国外公司产品的技术规格中有三点很吸引人：①日本横河公司YS-80系列的SDND电源箱，它的输出电压可用转换开关在23~26V、26~28V两档之间切换，也就是说，当用电设备的供电电压要求较高或负载较大时，可以将电源箱的输出电压调到26~28V这一档；②日本横河公司I系列的5223电源箱，它提供了输出端负载电流从0%变化到100%时，电源箱输出电压的相对变化小于-6%（如负载电流0%时，电源箱输出电压为24V，那么，输出端负载电流100%时，电源箱输出电压也应大于22.56V）；③美国Foxboro公司762型可编程序调节器的配电功能中提到向现场变送器提供标称28V电源，而在其前期产品761型可编程序调节器向现场变送器提供的是标称25V电源。6结语用户在使用带配电功能的仪表时要关注两线制现场仪表用电电压的要求及实际负载大小，否则也有可能超出仪表配电的实际能力，使现场仪表不能正常使用。两线制现场仪表用电最低电压的要求是不一样的，虽然标称电压都是24VDC，但低的可以是10.5V，高的却要求22V或更高。两线制现场仪表的实际负载取决于其输出4~20mA电流回路连接了几台仪表及每台仪表的采样电阻值的大小，通常情况下4~20mA电流回路连接的仪表数不要超过2台，总采样电阻值不超过500Ω。凡带配电功能的仪表，其配电功能的技术性能指标应该能完整表述，例如应达到以下要求：对每个配电回路的最大输出电流≥50mA，当输出端负载电流从0%变化到100%时配电回路输出电压的相对变化率的指标（如10%，或20%）。凡带配电功能的仪表对4~20mA回路的采样电阻为250Ω时，由于至少有一部分供电电压降在这个电阻上，建议其标称输出电压提高为28V。