專利名稱：智能儀表多種故障的模擬信號(hào)指示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域，特別涉及一種智能儀表當(dāng)出現(xiàn)多種故障狀態(tài)時(shí)采用二線制模擬信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警指示的新方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)自動(dòng)化儀表廣泛用于化工、煉油、石化、電力、冶金、鋼鐵、造紙、建材、制藥、能源、環(huán)保等流程工業(yè)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，包括溫度變送器、壓力/差壓變送器、液位變送器、流量變送器(計(jì))、在線分析儀等各類檢測儀表，和電氣閥門定位器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等執(zhí)行儀表，以及調(diào)節(jié)器等控制儀表。工業(yè)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)長期以來普遍采用國際標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA.DC制式的模擬直流電流信號(hào)來進(jìn)行測量或控制信息的傳遞，該信號(hào)制式主要有兩方面的意義一是直流電流信號(hào)相對于早期的氣動(dòng)壓力信號(hào)而言信息傳輸迅速?zèng)]有延遲并且信號(hào)易于產(chǎn)生與處理，相對于直流電壓信號(hào)而言信號(hào)不會(huì)衰減抗干擾能力強(qiáng)因而適宜遠(yuǎn)距離傳輸，另一個(gè)方面采用電流環(huán)的4mA為信號(hào)起始點(diǎn)即“活零點(diǎn)”，可以用小于4mA電流為低功耗儀表提供工作電源，使其成為“二線制”儀表。通常，檢測儀表輸出4～20mA.DC信號(hào)表示工藝參數(shù)的測量值，執(zhí)行儀表接受輸入的4～20mA.DC控制信號(hào)去調(diào)節(jié)介質(zhì)流量并往往再另外輸出4～20mA.DC信號(hào)表示實(shí)際測量的閥位開度。目前工業(yè)自動(dòng)化儀表在向智能化方向發(fā)展，如智能檢測儀表(智能變送器、智能流量計(jì)等)、智能執(zhí)行器(智能電氣閥門定位器、智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu))、無紙記錄儀或DCS等，普遍嵌入了微處理器，使儀表具有運(yùn)行工作狀況和應(yīng)用環(huán)境狀況的多種故障診斷功能，這些故障信息往往需要遠(yuǎn)程傳送到中央控制室等處進(jìn)行報(bào)警指示，便于用戶處理和維護(hù)，然而在故障遠(yuǎn)程報(bào)警指示方面卻存在重大的不足。目前智能儀表對于診斷到的多種故障進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警指示的方法有兩種一是大多數(shù)采用多個(gè)有源或無源觸點(diǎn)的開關(guān)量信號(hào)的不同組合指示故障信息，如SIEMENS的SIPART PS2智能電氣閥門定位器等，缺點(diǎn)首先是要增加多個(gè)信號(hào)傳輸線，大量增加了DCS系統(tǒng)以及整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的復(fù)雜性以及建設(shè)和維護(hù)成本，其次是這些開關(guān)量信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸容易受到電磁干擾從而誤報(bào)警；另一種是采用某種通信方式，這對于絕大多數(shù)非現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化系統(tǒng)，仍然存在上述缺點(diǎn)，并且由于需要通信硬件接口和軟件驅(qū)動(dòng)而更加復(fù)雜難以使用。因而，雖然目前在大量使用智能儀表，但自動(dòng)化系統(tǒng)仍然僅限于用4～20mA.DC的模擬信號(hào)傳遞測量與控制信息，沒有充分利用智能儀表的故障診斷信息發(fā)揮出智能儀表的作用，使得整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性安全性低、運(yùn)行維護(hù)不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對智能儀表故障遠(yuǎn)程報(bào)警指示方法存在的問題，提供一種基于4～20mA.DC信號(hào)制式進(jìn)行測量與控制信息傳遞的同時(shí)進(jìn)行故障遠(yuǎn)程報(bào)警指示的方法。
本發(fā)明方法包括以下步驟(a)根據(jù)智能儀表具體的電路設(shè)計(jì)和要求的負(fù)載阻抗確定儀表電流環(huán)路輸出的有效信號(hào)范圍；(b)該有效信號(hào)范圍減去4～20mA正常工作信號(hào)范圍即為可用于故障指示的報(bào)警電流信號(hào)范圍；(c)根據(jù)需要指示的故障信息數(shù)對報(bào)警電流信號(hào)范圍進(jìn)行間隔分檔，指定各故障信息對應(yīng)的報(bào)警電流值，并根據(jù)選定的DA轉(zhuǎn)換器得到對應(yīng)的數(shù)字編碼；(d)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障狀態(tài)向DA轉(zhuǎn)換器發(fā)送相應(yīng)的數(shù)字編碼，由DA轉(zhuǎn)換器和電壓電流轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警電流，用于遠(yuǎn)程報(bào)警指示。
步驟(a)所述的確定儀表電流環(huán)路輸出的有效信號(hào)范圍，可根據(jù)智能儀表具體的電路設(shè)計(jì)和要求的負(fù)載阻抗以及環(huán)路供電電壓來確定。
最大輸出環(huán)路電流＝(環(huán)路最小供電電壓)÷(儀表最大內(nèi)阻+線路阻抗+最大負(fù)載阻抗)最小輸出環(huán)路電流＝4mA(通常對于“二線制”供電儀表而言)或0mA(對于非“二線制”單獨(dú)供電的儀表而言)輸出的有效信號(hào)范圍＝最大輸出環(huán)路電流-最小輸出環(huán)路電流。
步驟(b)所述的確定報(bào)警電流信號(hào)范圍是指儀表電流環(huán)路輸出的有效信號(hào)范圍減去4～20mA正常工作信號(hào)范圍。比如步驟(a)得到的輸出的有效信號(hào)范圍為4～24mA，那么，報(bào)警電流信號(hào)范圍即為20～24mA。
步驟(c)所述的確定各故障信息對應(yīng)的報(bào)警電流值，是根據(jù)需要指示的故障信息數(shù)對報(bào)警電流信號(hào)范圍進(jìn)行間隔分檔，指定各故障信息對應(yīng)的報(bào)警電流值。比如步驟(b)得到的報(bào)警電流信號(hào)范圍即為20～24mA，需要指示的有4個(gè)故障信息，可指定1#、2#、3#、4#故障分別用21mA、22mA、23mA、24mA的報(bào)警電流來指示。
步驟(d)所述的編程輸出不同的電流，是根據(jù)智能儀表輸出部分的數(shù)模轉(zhuǎn)換和電壓電流轉(zhuǎn)換電路，計(jì)算各報(bào)警模擬電流值對應(yīng)的數(shù)字量代碼，由微處理器編程判斷故障信息給數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的數(shù)字量代碼。
由于智能儀表通常具有組態(tài)與參數(shù)設(shè)置功能，在同一自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)智能儀表和DCS對于故障指示的組態(tài)必須協(xié)調(diào)一致。
本發(fā)明的基本依據(jù)有兩點(diǎn)。一是標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA.DC信號(hào)制是指4mA到20mA信號(hào)范圍為正常信息，但儀表的實(shí)際電流環(huán)路輸出范圍總是要超過該范圍即會(huì)小于4mA和大于20mA，只是超出4mA到20mA范圍的信號(hào)目前作為無效信號(hào)未被使用；二是目前的智能儀表，普遍嵌入了微處理器使其具有多種智能化功能，其中包括運(yùn)行工作狀況及應(yīng)用環(huán)境狀況的多種故障診斷功能和通常具有參數(shù)的靈活組態(tài)設(shè)置功能。
本發(fā)明的原理是采用儀表的電流環(huán)路輸出小于4mA或大于20mA范圍的模擬直流電流信號(hào)進(jìn)行故障指示報(bào)警，對于不同的故障信息采用有一定間隔分檔的電流來表示，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。而4mA到20mA范圍的信號(hào)仍然指示正常工作信息。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的智能儀表4～20mA輸出電流環(huán)路電路圖示例；圖2為圖1的4～20mA.DC信號(hào)制模擬直流電流信號(hào)功能段劃分示例；圖3為圖1中4#故障報(bào)警電流(22.0mA)指示時(shí)序圖示例；圖4為圖1中報(bào)警電流模式輸出部分微處理器程序流程圖示例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的具體實(shí)施結(jié)果有多種，圖1～圖4為一種典型實(shí)施示例。
如圖1所示為一種智能儀表多種故障采用二線制模擬信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警指示的輸出部分電路圖。該電路為現(xiàn)有智能儀表的典型電路，包括微處理器MCU、數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421、三極管DN25D以及外圍的電阻、電容元件等。虛線框部分為外部負(fù)載RL和環(huán)路供電電源EL，不屬于該儀表電路。
如圖2所示為圖1電路的4～20mA.DC信號(hào)制模擬直流電流信號(hào)功能段劃分示例。假設(shè)EL＝24V、RL≤750Ω，則儀表電流環(huán)路輸出的有效信號(hào)范圍為4～25mA，減去4～20mA正常工作信號(hào)范圍，得到報(bào)警電流信號(hào)范圍即為20～25mA，并設(shè)有1#～8#共8個(gè)故障信息需要指示，則以間隔0.5mA分檔可足以保證遠(yuǎn)程指示信息接收端能準(zhǔn)確區(qū)分故障信息而不會(huì)誤指示，即分別用20.5mA、21.0mA、21.5mA、22.0mA、22.5mA、23.0mA、23.5mA、24.0mA的報(bào)警電流值來對應(yīng)指示1#～8#故障。
表1為圖1電路的4～20mA.DC信號(hào)制報(bào)警電流模式輸入輸出編程代碼表示例。數(shù)字量代碼01 48 00、01 50 00、01 58 00、01 60 00、01 68 00、0170 00、01 78 00、01 80 00分別對應(yīng)20.5mA、21.0mA、21.5mA、22.0mA、22.5mA、23.0mA、23.5mA、24.0mA的電流輸出指示1#～8#故障信息。
表1

如圖3所示為圖1中4#故障報(bào)警電流(22.0mA)指示工作D/A輸出時(shí)序圖示意。
如圖4所示為圖1電路的報(bào)警電流模式輸出部分微處理器程序流程圖示例，包括如下步驟(1)判斷儀表工作狀態(tài)是否正常，如果正常則轉(zhuǎn)(2)，如果有故障則轉(zhuǎn)(3)；(2)對于正常狀態(tài)，4mA編碼為00 4000，編碼每增加1LSB對應(yīng)電流增加244nA，計(jì)算4mA～20mA的輸出編碼正常輸出編碼＝[(正常輸出電流mA-4mA)×106÷244]+004000，然后轉(zhuǎn)(4)；(3)判斷故障信息，查表1得到對應(yīng)故障報(bào)警電流編碼，然后轉(zhuǎn)(4)；(4)微處理器MCU通過串行通信將編碼送數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421，由圖1電路的4～20mA.DC環(huán)路輸出即可得到相應(yīng)的故障報(bào)警電流指示。
權(quán)利要求
1.智能儀表多種故障的模擬信號(hào)指示方法，其特征在于該方法包括以下步驟(a)根據(jù)智能儀表具體的電路設(shè)計(jì)和要求的負(fù)載阻抗確定儀表電流環(huán)路輸出的有效信號(hào)范圍；(b)該有效信號(hào)范圍減去4～20mA正常工作信號(hào)范圍即為可用于故障指示的報(bào)警電流信號(hào)范圍；(c)根據(jù)需要指示的故障信息數(shù)對報(bào)警電流信號(hào)范圍進(jìn)行間隔分檔，指定各故障信息對應(yīng)的報(bào)警電流值，并根據(jù)選定的DA轉(zhuǎn)換器得到對應(yīng)的數(shù)字編碼；(d)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障狀態(tài)向DA轉(zhuǎn)換器發(fā)送相應(yīng)的數(shù)字編碼，由DA轉(zhuǎn)換器和電壓電流轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警電流，用于遠(yuǎn)程報(bào)警指示。
2.如權(quán)利要求1所述的智能儀表多種故障的模擬信號(hào)指示方法，其特征在于步驟(a)所述的確定儀表電流環(huán)路輸出的有效信號(hào)范圍，是根據(jù)智能儀表具體的電路設(shè)計(jì)和要求的負(fù)載阻抗以及環(huán)路供電電壓來確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種智能儀表故障遠(yuǎn)程報(bào)警指示的方法。目前故障遠(yuǎn)程報(bào)警指示的方法易受干擾并且設(shè)備復(fù)雜。本發(fā)明方法步驟是確定儀表電流環(huán)路輸出的有效信號(hào)范圍、減去4～20mA正常工作信號(hào)范圍即為可用于故障指示的報(bào)警電流信號(hào)范圍、根據(jù)需要指示的故障信息數(shù)對報(bào)警電流信號(hào)范圍進(jìn)行間隔分檔、發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障狀態(tài)向DA轉(zhuǎn)換器發(fā)送相應(yīng)的數(shù)字編碼，由DA轉(zhuǎn)換器和電壓電流轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警電流，用于遠(yuǎn)程報(bào)警指示。本發(fā)明的原理是采用儀表的電流環(huán)路輸出小于4mA或大于20mA范圍的模擬直流電流信號(hào)進(jìn)行故障指示報(bào)警，對于不同的故障信息采用有一定間隔分檔的電流來表示，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。
文檔編號(hào)G08B25/00GK1909002SQ20061005084
公開日2007年2月7日 申請日期2006年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者尚群立 申請人:杭州電子科技大學(xué)