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【供应】信号保持在吹扫上的应用

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产品描述

信号保持在吹扫上的应用
广州森瑟机电设备有限公司 罗倩


摘要:目前,发电厂烟气流量普遍采用皮托管将流速转换成压力进行显示或远传。控制系统根据其压力大小用公式计算出流速。因烟气含有大量灰尘,易沉积或粘附到皮托管取样口,长时间运行,皮托管测压孔容易堵塞,像这一现象还容易出现在设备的前后差压测量上,压力测量取样口或取样管内,造成测量不准或无法测量的情况。针对这一现象,通常是安排维护人员定期用压缩空气进行吹扫来完成导压管路的疏通清理工作。每次吹扫都要检查是否有联锁,是否有保护,拆管道,接气源,费时费力而且效果一般。经常投退保护又难免出错,所以还存在一定的风险。检修人员也曾为了解决这一问题想了不少办法,市面上各种吹扫装置应运而生,但效果均不理想。为了更好的解决取样管堵塞的问题,本文主要介绍如何达到防堵又不影响测量的方法。该方法具有吹扫时自保持、故障切除吹扫、吹扫时间可调、吹扫间隔可调等功能彻底打消因吹扫带来的顾虑。

概述:取样管堵塞的问题由来已久,各设备厂商都在这上面花了不少工夫。市面上也出现了不少防堵产品,大致可以分为两大类:一种是连续吹扫。一种是定时吹扫。定时吹扫又可以分为继电器控制和PLC控制两大类。下面逐个分析几种吹扫方法的优缺点。

最原始最有效的防堵方式无非是人工吹扫。人工吹扫,即通过人为的断开导压管与变送器的连接。然后将压缩空气通入导压管,对导压管进行吹扫。吹扫完后,接通导压管与变送器,恢复测量。优点:能够根据需要实时的吹扫防堵,工人根据实际的堵塞情况,自由控制吹扫时间,检查吹扫效果。缺点:每次吹扫都要开工作票、投退保护或投退联锁、频繁拆装仪表管道及接头易损坏或出故障、费时费力效率低。

连续吹扫则是通过对导压管内连续吹一定流量的气体,用调节阀控制高低压侧压力保持差压不变的原理来实现防堵的目的。优点:在压力控制合适的情况下能达到很好的吹扫效果,设备简单,易维护。缺点:在压力变化较大的情况下测量结果偏差较大。

继电器定时吹扫是用时间继电器触发吹扫信号和控制吹扫时间。优点:吹扫装置由时间继电器控制,吹扫时间和吹扫间隔都可以直接设定,控制简单方便。缺点:接线复杂,故障点不易确定,维护不容易;可控时间精度不高,扩展性差;吹扫时,DCS监测数据有波动。

PLC控制的定时吹扫。优点:吹扫时间和吹扫间隔任意可调,精确,且可靠性高。缺点:参数修改麻烦,需要连电脑,还需要接受过培训的专业人员进行修改;PLC价格高,参数不直观。

通过分析可知现在电厂正在使用的吹扫装置都有其优点,但也存在各种各样的不足:价格过高、操作麻烦、可扩展性能差、影响测量等等。本文主要讨论一种兼具吹扫效果与测量精度且价格便宜、操作方便、可扩展性高的智能吹扫方案。


设计目标:新方案的产生必然要继承解决之前其他吹扫方法或吹扫装置的优点,解决其不足,才有其存在的必要性性。根据统计分析新型智能吹扫方案设计应具有如下功能:

1、吹扫时不能影响测量准确性,在压力变化或吹扫空气压力变化的情况下对测量没影响。

2、操作简单方便,不用借助专用工器具,额外接线拆装,参数状态直观明了。

3、测量信号的连续稳定,吹扫时DCS监测的数据应该保持连续稳定,不能出现大幅波动。

4、现场适用性强,适用于工业现场DCS监测系统可以接受有源信号和无源信号。

5、实时显示吹扫状态及吹扫时间,实时显示距离下次吹扫的时间,吹扫时能够显示到吹扫结束的时间。

6、为了方便现场检修人员能够实时了解管道内的烟气流动动态及吹扫前后变化,屏幕上实时显示管道内烟气流速。


目前市面的吹扫装置吹扫时,两根导压管一起吹扫,使气流分成两路出去,无法保证最好的吹扫效果。本智能吹扫转置的吹扫程序特别设计成两根导压管分开吹扫,保证吹扫效果。



整个吹扫过程分为7个步骤,见下图:

① 吹扫开始。控制器保持采样输出,1s后,阀3和阀4关闭,切断变送器与导压管的通路,保护变送器,避免被高压损坏。

② 延时1s,打开阀1,1#导压管通气,吹扫1#导压管。

③ 吹扫一段时间后(由用户设置),关闭阀1,停止吹扫1#导压管。

④ 延时0.5s,开启阀2,2#导压管通气,吹扫2#导压管。

⑤ 吹扫一段时间(由用户设置),关闭阀2,停止吹扫2#导压管。

⑥ 延时2s,阀3和阀4打开,变送器与导压管接通开始测压。

⑦ 延时ns(设定值),控制器开始采样。


功能设计


首先要解决的是如何实现吹扫保持的功能,理论上有如下几个方案:

一、截止阀至压力变送器维持不变。用高性能电磁阀切断导压管和变送器的联系,然后保持密闭空间内的压力,保持压力变送器压力不下降达到稳定输出的目的。

二、输出电流保持。变送器本身无法保持输出,在吹扫的时候要保持稳定的输出,就需要人为的给DCS一个模拟的电流信号。可以用单片机先测量变送器前面的信号,然后经过处理,可以计算得到流速,同时将前面测量的压力信号从另一端口输出。吹扫时,停止取样,保持吹扫前测量的正常信号输出,达到保持的目的。

三、依然是保持输出电流。同上一种方式一样,吹扫时保持信号输出。具体是平时将ADC采样的信号直接传到后端,省去ADC和DAC这个环节。吹扫时用继电器将线路切换到单片机输出。

优缺点分析:

经过实践证明,第一种方式只是一种理想方式,实际运行过程中上任何电磁阀都有内漏,如果想通过压力保持让变送器获得稳定的输出,事倍功半,效果比较差。在实际运用中根本达不到压力保持的要求。第2种和第3种方式都能实现压力信号保持。其中第1种方式的转换流程如下:


分析两个方案的流程图,可知:在吹扫状态下,两种方案的信号转换流程都一样,都是经过MCU转换然后再传送到放大器,最后输出给DCS。吹扫装置绝大多数情况工作在正常情况下,而方案3里面要少AD转换和PWM转换两个环节,能够减小一个环节的误差,精度更高。但方案3中吹扫状态与正常状态的切换是靠继电器动作完成。查继电器的使用手册可知,继电器的响应速度为10-20ms,远小于DCS的采样频率。综合上面的分析,我们采用方案3。

AD模块


由于变送器为两线制器件,电源线与信号线共用,输出信号为4-20mA电流信号。而ADC只能处理电压信号。由于这个条件限制,我们必须先将电流信号转换为电压信号。注意到变送器信号是4-20mA电流,ADC处理电压一般为5V,根据欧姆定理,在回路中串联一个250Ω的电阻,将电流转换为1-5V电压。由于电阻具有温漂等不稳定性因素,这里选用0.1%精度的低温漂电阻。

电流转换成电压后,考虑压力的驱动能力问题,1-5V电压后面接电压跟随器,将电压信号功率放大。电路图如下:

DA模块


数字量转换为模拟量,即将ADC采样得到的电压的数字量再逆转为电压信号。有如下几个方案:

1.DA芯片转换。用专用的DA芯片将数字量直接转换为1-5V的电压信号,一般DA芯片有十位精度、十二位精度、十六位精度,精度越高,信号的连续性越好。优点:转换精度高,转换速度快。缺点:并行芯片占用IO口较多;且DA芯片需要专门的电压转换芯片和基准源芯片,外围辅助器件比较多,且精度越高,对基准源要求越高;电路面积比较大;价钱偏贵。

2.PWM转换。数字量控制PWM的占空比,然后用2阶低通滤波器将PWM转换为1-5V的电压。优点:分立元件少,电路面积小。缺点:普通精度,PWM的精度为十位精度,也就是可以达到:

最大电流为20mA,PWM转换的方式精度为:

PWM转电路如下图:

对比DA芯片转换方案和PWM转换方案我们可以发现:PWM转换方案简单易用,成本低;DA芯片转换方案精度高,对外围电路要求高,成本高。分析电厂对吹扫转置的精度要求,普通转换0.02mA的精度就能够满足要求了。本智能吹扫转置选用PWM转换的方案。

电压转换为电流模块

由于工业现场信号传送距离比较远,电压信号容易损失,所以信号一般用电流传送。针对DCS接收电流信号分为有源信号和无源信号,为了提升本智能吹扫转置的易用性和通用性,本智能吹扫转置同时配备无源和有源信号方式。

无源信号方式和有源方式都要匹配两线制传输方式,即电流线与信号线共线。

电压转换为电流方案有两种:

1. 电流环芯片。现在市场上有多种电流环芯片,专门用来产生4-20mA电流,例如TI公司的XTR111系列芯片。输入1-5V电压产生4-20mA电流。


2. 分立元件方案。用放大器和三极管组成电流发生电路。如下图所示:

对比电流环芯片方案和分立元件方案可知,电流环芯片稳定性高,可靠性好,但是只适合三线制电流输出,而分立元件电路方式精度和稳定性稍微差一点点,却适合两线制电流输出。根据电路设计要求,我们选用分立元件方案组成作为电流发生电路。

程序设计

本转置人机界面需要显示三个数据:倒计时、实时流速,数据量比较大。所以选用LCD12864作为显示屏。LCD12864可以显示4行,每行八个汉字或16个字符。屏幕首页如下:


由于本设备需要显示流速。流速流速计算公式如下:

从公式可知,要计算管道内流速,必须要设置几个参数:烟气静压、大气压力、量程、皮托管系数、修正系数。

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