电容式液位计/开关升级及与DCS接口改进

张天航，杨 超

（中广核研究院有限公司 系统工程与改造中心，广东 深圳 518000）

0 引言

电容式液位计/开关通过探头的探杆将物理液位信号转换为电容信号，进而通过探头的电子元件将电容信号转换为电信号，从而达到液位测量的目的。电容式液位计/开关广泛应用于工业中的液位测量，比如水、燃油、润滑油的液位均可以通过电容式液位计/开关来测量。随着大规模集成电路的快速发展，电容式液位计/开关（下文简称液位计/开关）向集成化和智能仪表方向发展。原型号液位计由原型号探头和原型号变送器组成，由于原型号探头无法直接输出能够送入DCS 的标准电信号而仅能够输出脉冲频率调制（下文称PFM）信号，所以需要使用原型号变送器将PFM 信号转换为标准电信号，再将标准电信号送入DCS；原型号变送器为四线制，其与DCS 的电源接口和信号接口是分开的，电源接口为24VDC 电源，信号接口为4mA ～20mA 有源信号。新型号液位计采用新型号探头，无需再使用变送器进行信号转换，新型号探头为两线制，即电源接口同时也是信号接口；DCS 通过2 根导线向新型号探头提供24VDC 电源，同时也通过这2 根导线采集新型号探头输出的4mA ～20mA 信号，即新型号探头与DCS 的接口为4mA ～20mA 无源信号。新、原型号液位开关均由探头和变送器组成，均由变送器将探头输出的PFM 信号转换为开关信号，变送器均可输出液位开关信号和故障报警信号，与DCS 的信号接口均为干接点，与DCS 的电源接口均为24VDC 电源。原型号液位开关变送器为卡槽安装，与DCS 模块安装方式相同，可在DCS 柜内模块机架上；而新型号液位开关变送器为DIN 标准导轨安装，无法安装在DCS 柜内，只能安装在就地的接线箱，这导致DCS 要向柜外变送器供电并采集信号。为满足新型号液位计/开关的接口功能，并保证DCS 柜内AI/DI 模块的其他通道不受液位计/开关所在通道故障的影响，本文给出了电容式液位计/开关升级换型及其与DCS 接口改进设计方案，并进行了相关影响分析。

图1 原型号液位计及与DCS的接口示意图Fig.1 The original level meter and interface wit h DCS

1 液位计升级换型及其与DCS接口改进设计

原型号液位计由探头和变送器组成，探头安装于待测液体的容器罐上，变送器安装于DCS 柜内；探头为两线制，变送器通过2 根导线向探头供电，并接收探头输出的PFM信号。变送器为四线制[1]，变送器通过2 根导线接受来自DCS 柜内断路器的24VDC 电源，并通过另外2 根导线输出4mA ～20mA 信号至DCS 的AI 模块。原型号液位计与DCS 的接口如图1 所示。因为原型号变送器的输入与其他回路电气隔离，且安装在DCS 机柜内，所以某一测量通道的DCS 柜外电缆（探头至变送器的电缆）上的短路/超电流故障不会影响DCS 柜内AI 模块对其他通道的信号采集。

新型号液位计仅为探头，不再采用单独的变送器。探头为两线制，信号处理模块通过2 根导线向探头供电，并接收探头输出的4mA ～20mA 无源信号[2]。信号处理模块将输入端的4mA ～20mA 无源信号转换为输出端的4mA ～20mA 有源信号。为了使某一测量通道的DCS 柜外电缆（探头至信号处理模块的电缆）上的短路/超电流故障不会影响DCS 柜内AI 模块对其他通道的信号采集，在信号处理模块与AI 模块之间加入隔离模块[3]，隔离模块的输入与输出电气隔离，隔离模块输出4mA ～20mA 有源信号至AI 模块。其中，信号处理模块和隔离模块需要从向原型号变送器供电的断路器下游取电。新型号液位计与DCS的接口如图2 所示。

图2 新型号液位计及与DCS的接口示意图Fig.2 The upgraded level meter and interface with DCS

2 液位开关升级换型及其与DCS接口改进设计

原型号液位开关、新型号液位开关及与DCS 的接口示意图分别如图3 和图4 所示。

◇ 新型号液位开关与原型号液位开关的相同点：

1）液位开关由探头和变送器组成，探头安装于待测液体的容器罐上。

2）探头为两线制，变送器通过2 根导线向探头供电，并接收探头输出的PFM 信号。

3）变送器与DCS 的电源接口和信号接口是分开的，变送器通过2 根导线接受来自DCS 柜内断路器的24VDC电源，并通过另外4 根导线输出2 个干接点信号（分别为液位开关信号和故障报警信号）。

◇ 新型号液位开关与原型号液位开关的不同点：

a）安装方式和安装位置的不同，原型号液位开关变送器为卡槽式安装，与DCS 模块安装方式相同，可在DCS 柜内模块机架上；新型号液位开关变送器为DIN 标准导轨式安装，受限于其安装方式和DCS 柜内空间问题无法安装在DCS 柜内，只能安装在就地的接线箱。

b）由于上述安装位置的不同，原型号液位开关变送器通过DCS 柜内导线与DCS 设备相连，而新型号液位开关变送器通过DCS 柜外电缆与DCS 设备相连。

因为原型号液位开关变送器的输入与其他回路电气隔离，且安装在DCS 机柜内，所以某一测量通道的DCS 柜外电缆（探头至变送器的电缆）上的短路/超电压故障不会影响DCS 柜内DI 模块对其他通道的信号采集。

在液位开关升级换型后，为了使某一测量通道的DCS柜外电缆（变送器至DCS 柜内模块/断路器的电缆）上的接地/超电压故障不会影响DCS 柜内DI 模块对其他通道的信号采集，在变送器与DI 模块之间以及变送器与断路器之间加入超电压保护模块；超电压保护模块内包含保险丝、限流电阻、热偶二极管等，在柜外电缆发生接地/超电压故障时可熔断保险丝/导通二极管以保护柜内设备。新型号液位开关变送器从向原型号液位开关变送器供电的断路器下游取电。

图3 原型号液位开关及与DCS的接口示意图Fig.3 The original level switch and interface with DCS

图4 新型号液位开关及与DCS的接口示意图Fig.4 The upgraded level switch and interface with DCS

表1 设备基本信息示例Table 1 The basic data of equipment

3 影响分析

3.1 设备基本信息

本文以6 个液位计和2 个液位开关升级换型为例进行说明，设备基本信息示例见表1，以下影响分析过程均在此假设和示例的基础上进行。

3.2 DCS柜内模块布置空间影响分析

考虑液位计/开关升级换型前后在DCS 柜内安装的设备差异，即在液位计/开关升级换型前DCS 柜内安装的模块为液位计变送器和液位开关变送器，在液位计/开关升级换型后DCS 柜内安装的模块为信号处理模块、隔离模块和超电压保护模块，需要根据各模块的数量和宽度来评估对布置空间的影响，根据表1 的数据计算如下：

1）液位计升级换型改进前DCS 柜内变送器模块需占用的机架宽度：6×7+2×4=50 HP。

2）液位计升级换型改进后DCS 柜内信号处理模块、隔离模块和超电压保护模块需占用的机架宽度：3×4+6×4+4=40 HP。

所以液位计升级换型改进后DCS 柜内模块需占用的空间将变小，DCS 柜内现有空间满足液位计升级换型改进的需要，无需新增机架或者占用原机架中的备用卡槽空间。

3.3 设备供电分析

液位计/开关升级换型前后各设备的供电示意图分别如图5 和图6 所示。图6 中的隔离模块1 ～6 分别用于液位计1 ～6 的信号采集通道，信号处理模块1 ～3 共6 个通道分别用于液位计1 ～6 的信号采集通道。

3.3.1 DCS柜下游分断路器容量分析

本改造涉及DCS 柜内断路器B1、B2、B3、B4、B5 的下游负荷的变化。

新型号液位计的供电设计：新型号液位计1 ～6 信号采集通道中所用信号处理模块和隔离模块供电保持与对应通道的原型号液位计变送器供电相同。具体如下：

图5 液位计/开关升级换型前设备供电示意图Fig.5 The power supply of the original level meter/switch

1）液位计1 信号采集通道中的模块从断路器B2 下游取电。

2）液位计2 信号采集通道中的模块从断路器B3 下游取电。

3）液位计3 ～6 信号采集通道中的模块从断路器B4下游取电。

新型号液位开关的供电设计：新型号液位开关变送器的供电保持与对应通道的原型号液位开关变送器供电相同。

液位计/开关升级换型后DCS 柜下游分断路器负荷分析：

a）断路器B2（或B3）的下游负荷变化情况为由1 个原型号变送器变为 1 个信号处理模块（1 个通道）和1 个隔离模块，所以升级换型后断路器B2（或B3）下游负荷增加了(a+ b×0.5- d) mA；由于断路器B2（或B3）的下游负载还包括升级换型的液位计信号采集通道以外的设备，所以需要根据液位计升级换型前断路器B2（或B3）的下游负荷以及液位计升级换型后断路器B2（或B3）的下游负荷增量进行求和计算得出液位计升级换型后断路器B2（或B3）的下游负荷。

b）断路器B4 的下游负载为2 个信号处理模块（每个信号处理模块使用了2 个通道）和4 个隔离模块，所以液位计升级换型后断路器B4 的下游负荷为(a×4+ b×2-d×4) mA。

c）断路器B5 的下游负载为2 个新型号液位开关变送器，所以液位开关升级换型后断路器B5 的下游负荷为2×c mA。

DCS 柜下游分断路器容量分析：如液位计升级换型后DCS 柜各个下游分断路器的额定容量仍大于其对应负载的额定负荷且有一定的裕量，则下游分断路器的额定容量满足要求；否则下游分断路器的额定容量不满足要求，需要更换为额定容量更大的断路器。

图6 液位计/开关升级换型后设备供电示意图Fig.6 The power supply of the upgraded level meter/switch

3.3.2 DCS柜上游总断路器容量分析

根据表1 所列的设备数量和额定电流信息，液位计/开关升级换型后DCS 柜电流增加(a×6+b×3+c×2-d×6-e×2) mA。可将此电流增加量与液位计/开关升级换型前DCS 机柜的电流相加得出液位计/开关升级换型后的DCS 机柜电流，从而评估DCS 机柜上游断路器的容量是否满足液位计/开关升级换型后DCS 机柜电流的需求。如液位计/开关升级换型后DCS 柜上游总断路器的额定容量仍大于其对应负载的额定负荷且有一定的裕量，则上游总断路器的额定容量满足要求；否则上游总断路器的额定容量不满足要求，需要更换为额定容量更大的断路器。此外，上游总断路器容量的选择还需要综合考虑和下游分断路器的级配关系，以防止发生断路器越级脱扣现象。

4 结束语

本文给出了液位计/开关升级换型及其与DCS 接口改进设计方案，能够满足新型号液位计/开关的接口功能，并保证DCS 柜内AI/DI 模块的其他通道不受液位计/开关所在通道故障的影响，同时进行了相关影响分析，从柜内空间上验证了改进方案的可行性并给出了对断路器容量的分析方法。