CN109343492A - 两线制过程控制系统保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种两线制过程控制系统保护装置，包括：压力保护模块，用于在气源气压故障时，调整气动驱动器的压力，以驱动过程控制元件，对过程流体进行控制；信号保护模块，用于在控制信号发生故障时，对所述压力保护模块进行控制，以使得压力保护模块调整气动驱动器的压力。无需增加其他保护装置，可以利用现有设备实现在压力和\或控制信号故障时，实现对过程控制元件的驱动，进而实现对过程控制系统保护的目的。同时，由于只采用两线电流环，避免了电流环之间的互相干扰，提高了控制信号传输的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及工业过程控制领域，尤其涉及一种两线制过程控制系统保护装置。
背景技术
工业过程控制系统中，过程控制系统输出动力和控制信号，由相应控制器调节核心过程控制元件——控制阀开度，通过控制流体流量，实现对受控对象的控制。工业过程控制系统具有系统复杂、可靠性要求高的特点，在信号异常时，必须有系统保护装置，控制核心过程控制元件，使过程控制系统处于安全状态。
图1显示了现有的一种过程控制系统保护装置的原理图，现有过程控制系统保护装置一般由信号比较器、电磁阀、气控换向阀等构成，由于采用电磁阀进行控制，需要有电源驱动电磁阀，只能使用于三线/四线制电流环系统中。
在工业过程控制系统中，过程控制信号均采用IEC标准信号。IEC标准规定系统元件间传输的模拟信号为电流传输、电压接收的信号系统，具体为：4～20mA直流电流信号用于信号传输、1～5V直流电压信号用于信号联络；HART协议通过在4～20mA直流信号上叠加不同频率交流信号，实现了模拟信号传输系统中进行数字通信。目前，过程控制系统中控制元件的智能控制器，就是根据上述IEC信号标准，由4～20mA电流信号下限能量驱动，并通过两线制电流环进行模拟\数字信号传输。
现有过程控制系统保护器采用三线/四线制电流环回路。所谓三线/四线电流环回路，是在两线制回路中增加了供电回路，这是由于受到电磁阀的能耗约束，需要额外的电源供电线路。与两线制电流环相比，三线/四线制电流环结构，不但电源的长线传输增加了成本，而且存在电源和控制信号之间干扰问题，降低了过程控制系统可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种两线制过程控制系统保护装置，以解决现有技术中存在的由于三线/四线制电流环结构产生的过程控制系统可靠性低的情况。
第一方面，本发明实施例提供了一种两线制过程控制系统保护装置，其特征在于，包括：
压力保护模块，用于在气源气压故障时，调整气动驱动器的压力，以驱动过程控制元件，对过程流体进行控制；
信号保护模块，用于在控制信号故障时，对所述压力保护模块进行控制，以使得压力保护模块调整气动驱动器的压力。
进一步的，所述压力保护模块包括：气动先导阀和主阀，所述气动先导阀用于在气源气压故障时，驱动所述主阀，对气动驱动器和气路进行切换。
进一步的，所述信号保护模块包括：微功耗先导阀，所述微功耗先导阀用于在控制信号故障时，调整所述主阀切换。
进一步的，所述信号保护模块包括：信号异常检测单元，所述信号异常检测单元，包括：电流/电压转换单元、升压单元和比较单元；
所述电流/电压转换单元，用于将控制信号中的电流转换为对应的电压；
所述升压单元，用于将所述电压进行等比例放大；
所述比较单元，用于将等比例放大的电压与标准电压值进行比较，并根据比较结果输出驱动信号；
所述电流/电压转换单元与所述升压单元电连接，所述升压单元与所述比较单元电连接。
进一步的，所述信号保护模块还包括：驱动单元，所述驱动单元用于根据比较单元的输出结果，输出相应的脉冲宽度调制信号，用于驱动微功耗先导阀。
进一步的，所述信号异常检测单元还包括：电控开关，所述电控开关由远程电指令控制，用于根据电指令控制过程控制信号的通断，所述继电器分别与电流/电压转换单元和升压单元电连接。
进一步的，所述装置还包括：
智能模块，用于采集处理过程控制系统的参数，所述参数包括：气源压力、气动驱动器压力、电指令信号和过程控制信号；
所述智能模块包括：
PCB压力传感器，用于检测气源压力参数和气动驱动器压力参数；
模拟/数字转换器，用于将模拟信号转换为数字信号参数；
CPU，用于对接收到参数进行处理；
所述PCB压力传感器与所述模拟/数字转换器电连接，所述CPU与所述模拟/数字转换器电连接。
进一步的，所述模拟/数字转换器与电流/电压转换单元电连接。
进一步的，所述智能模块还包括：存储装置，用于存储接收到的参数，所述存储装置与所述CPU电连接。
更进一步的，所述智能模块还包括：现场总线通信模块，用于和过程控制系统设备进行数字通信；
所述现场总线通信模块与所述CPU电连接。
本发明实施例提供的两线制过程控制系统保护装置，通过增加可以用于在气源气压故障时，调整气动驱动器压力的压力保护模块；和用于在控制信号发生故障时，对所述压力保护模块进行控制，以使得压力保护模块调整气动驱动器的压力。无需增加其他保护装置，可以利用现有设备实现在压力和\或控制信号故障时，实现对过程控制元件的驱动，进而实现对过程控制系统保护的目的。同时，由于只采用两线制电流环，避免了电流环之间的互相干扰，提高了过程控制系统的可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是现有技术过程控制系统保护装置的组成示意图；
图2是本发明实施例一提供的两线制过程控制系统保护装置的组成示意图；
图3是本发明实施例二提供的两线制过程控制系统保护装置中信号异常检测单元原理示意图；
图4是本发明实施例三提供的两线制过程控制系统保护装置中智能模块的原理示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图2是本发明实施例一提供的两线制过程控制系统保护装置的组成示意图，参见图2，所述两线制过程控制系统保护装置，包括：
压力保护模块，用于在气源气压故障时，调整气动驱动器的压力，以驱动过程控制元件，对过程流体进行控制；信号保护模块，用于在控制信号发生故障时，对所述压力保护模块进行控制，以使得压力保护模块调整气动驱动器的压力。
工业过程控制，主要是通过过程控制元件，对工业过程控制系统中的流体流量调节，实现对受控对象的控制。示例性的，所述压力保护模块可以与过程控制元件连接，通过对过程控制元件进行控制，实现系统保护目的。可选的，在本实施中，所述压力保护模块可以包括：气动先导阀和主阀，所述气动先导阀用于在气源气压故障时，切换主阀气路，控制所述的气动驱动器和过程控制元件控制器的气路。先导阀是为操控主阀而使用的小流量阀，先导阀与气源连通，并由气源压力驱动，可以切换主阀气路，从而调整气动驱动器的压力，进而驱动过程控制元件，实现过程控制元件关闭、开启或者维持开度，达到保护过程控制系统安全的目的。具体的，先导阀压力由气源提供，主阀为两位三通换向阀，主阀换向的先导阀压力值可设定。当气源气压信号故障时，先导阀压力低于主阀换向压力点，主阀换向，调节气动驱动器压力，驱动过程控制元件动作，使过程控制系统进入保护状态。示例性的，图2显示了应用于单作用气动驱动器的失效保护装置组成示意。可选的，当应用于双作用气动驱动器，可以采用两个气源保护模块构成失效保护装置。
上述压力保护模块只能对气源压力故障进行保护。现有的工业过程控制系统通常采用IEC标准电流信号，对过程控制元件进行控制，而在电流信号发生故障时，单纯依靠压力保护模块无法针对电流信号故障进行保护。因此，在本实施例中，所述过程控制系统保护装置还包括：信号保护模块。所述信号保护模块用于在控制电流信号发生故障时，对过程控制元件进行驱动，实现过程控制系统保护。示例性的，所述信号保护模块可以包括：微功耗先导阀和主阀，所述微功耗先导阀用于在控制信号故障时，调整主阀切换，从而控制所述压力保护模块的气动先导阀的压力，以控制其主阀切换，进而实现过程控制系统保护。所述微功耗先导阀可以采用压电先导阀。压电先导阀是利用功能陶瓷片在电压作用下产生弯曲变形原理制成的一种两位式(或比例式)控制阀。控制压电阀动作只需提供足够的电压，电功耗几乎为零。其工作原理可以为：先导阀有一个流体入口I和两个流体出口A，B，在压电阀的初始状态(不通电)，功能陶瓷片作用在出口A上，这时，入口I与出口B连通；当压电阀接通电源时，功能陶瓷片变形向上翘，把出口B压住，使得入口I与出口A连通，这样，通过不同出入口的切换，控制先导阀的压力，实现主阀气路切换。
由于直接作用于过程控制元件的器件为气动控制器，如果在控制电流信号故障时，配备常规控制元件如电磁阀，对气动控制器进行控制，则需要提供额外的电源回路。在本实施例中，所述低功耗信号保护模块作用于所述压力保护模块，能够在两线制的过程控制系统中，在控制电流信号故障时，通过压电先导阀对主阀的调节，实现对压力保护模块的控制，进而实现过程控制系统保护。
本实施例通过增加可以用于在气源气压故障时，调整气动驱动器压力的压力保护模块；和用于在控制信号发生故障时，对所述压力保护模块进行控制，以使得压力保护模块调整气动驱动器的压力。无需增加其他保护装置，可以利用现有设备实现在压力和\或控制信号故障时，实现对过程控制元件的驱动，进而实现对过程控制系统保护的目的。同时，由于只采用二线电流环，避免了电流环之间的互相干扰，提高了过程控制系统的可靠性。
实施例二
图3是本发明实施例二提供的过程控制系统保护装置中信号异常检测单元原理示意图。本实施例在上述实施例的基础上进行优化。参见图3，所述信号保护模块还包括信号异常检测单元，包括所述信号异常检测单元，包括：电流/电压转换单元、升压单元和比较单元，所述电流/电压转换单元，用于将控制信号中的电流转换为对应的电压；所述升压单元，用于将所述电压进行等比例放大；所述比较单元，用于将等比例放大的电压与标准电压值进行比较，并根据比较结果输出驱动信号，所述驱动信号用于驱动微功耗先导阀。所述电流/电压转换单元与所述升压单元电连接，所述升压单元与所述比较单元电连接。
微功耗先导阀需要相应的触发信号才能够实现先导阀的作用，因此，需要对电流信号进行检测，确定其是否异常。在本实施例中，所述过程控制系统保护装置，包括：信号异常检测单元。所述信号异常检测单元，用于对4～20mA的电流控制信号是否异常进行检测。示例性的，所述信号异常检测单元，包括：电流/电压转换单元。由于控制信号为4～20mA，而进行检测时通常利用电压进行检测，因此，需要将控制信号电流转换为对应的电压。示例性的，所述电流/电压转换单元可以利用一个电阻将控制电流转换为对应的电压。
在将电流转换为对应的电压后，需要将转换后对应的电压进行比较，以确定电流控制信号是否异常。因此，可以通过比较单元，对转换后的电压与预设的电压进行比较，以确定电流控制信号是否异常。示例性的，所述预设的电压可以根据正常的电流控制信号设定。具体的，所述比较单元可以包括比较器，所述比较器的正向输入端与所述电流/电压转换单元电连接，所述比较器的反向输入端与预设的电压端电连接。所述比较器的输出端与驱动单元电连接，输出驱动信号。
由于电流控制信号的故障点范围在3.6～4mA之间，其电流值较小，需要将其转换的电压进行放大，以方便进行检测。因此，所述信号异常检测单元还包括：升压单元，用于将所述电压进行等比例放大。示例性的，所述升压单元可以采用运算放大器实现。利用运算放大器可以将转换后的电压抬升至可以用于进行比较的标准。
由于比较器的反向输入端需要连接恒电压源，以实现对控制电流转换的电压进行比较。而本实施例中是两线制电流环，无额外附加的恒电压源。因此，示例性的，在本实施例中，所述信号异常检测单元还可包括：恒压电源，所述恒压电源可以利用控制信号的电流，输出一个稳定的恒压电源，用该恒压电源与电流控制信号的电流转换的电压进行比较，实现检测电流控制信号是否异常的目的。所述恒压电源可以采用现有技术的恒压电路实现，通过对控制信号的电流I/V转换，实现稳定的电压输出。
本实施例信号保护模块中的所述信号异常检测单元，包括：电流/电压转换单元、升压单元和比较单元，所述电流/电压转换单元，用于将控制信号中的电流转换为对应的电压；所述升压单元，用于将所述电压进行等比例放大；所述比较单元，用于将等比例放大的电压与标准电压值进行比较，并根据比较结果输出驱动信号，所述驱动信号用于驱动微功耗先导阀；所述电流/电压转换单元与所述升压单元电连接，所述升压单元与所述比较单元电连接。所述信号异常检测单元无需额外设置单独的电压源，利用现有的两线制电流环，即可准确的检测到控制电流信号是否异常。
在本实施例的一个优选实施方式中，所述信号保护模块还可以包括：驱动单元，所述驱动单元用于根据比较单元的输出结果，对应输出相应的脉冲宽度调制信号，以实现精准驱控压电先导阀的目的。
在本实施例的另一优选实施方式中，所述信号异常检测单元还包括：电控开关，所述电控开关用于根据电指令控制过程控制信号的通断，所述电控开关分别与电流/电压转换单元和升压单元电连接。示例性的，通常在信号控制中，通常还存在一个电指令控制电路，用于控制电流信号的通断。优选的，可以由PCB继电器实现。在输入导通电指令信号时，PCB继电器吸合，实现控制电流信号导通，当输入断开电指令信号时，PCB继电器断开，实现控制电流信号断开。在本实施例中，所述PCB继电器分别与电流/电压转换单元和升压单元电连接。在继电器接受到断开电指令信号，升压单元无法接收到转换后的电压，因此，比较单元处无电压，因此能够检测到过程控制系统电指令，实现过程控制系统保护。
实施例三
图4是本发明实施例三提供的过程控制系统保护装置中智能模块的原理示意图。本实施例在上述实施例的基础上进行优化，所述过程控制系统保护装置还可以包括：智能模块，用于采集过程控制系统的参数。示例性的，所述智能模块还可包括：PCB压力传感器，用于检测气源压力参数和气动驱动器压力参数；模拟/数字转换器，用于将模拟信号转换为数字信号参数；CPU，用于对参数进行处理。所述PCB压力传感器与所述模拟/数字转换器电连接，所述CPU与所述模拟/数字转换器电连接。
通常在过程控制系统中，需要对各种数据进行存储，以方便工作人员查看，进而判断故障的原因，对故障进行及时处理。因此，在本实施例中，所述过程控制系统保护装置还可以包括：智能模块，用于采集过程控制系统的参数，所述参数包括：气源压力、气动驱动器压力、电指令信号和过程控制信号；所述智能模块包括：PCB压力传感器，用于检测气源压力参数和气动驱动器压力参数；模拟/数字转换器，用于将模拟信号转换为数字信号参数；CPU，用于对接收到参数进行处理；所述PCB压力传感器与所述模拟/数字转换器电连接，所述CPU与所述模拟/数字转换器电连接。
示例性的，利用所述传感器采集过程控制系统中关键参数，并可以利用CPU对所述各种参数进行处理。具体的，所述参数可以包括：气源压力、气动驱动器压力、电指令信号和过程控制信号。相应的，所述传感器可以包括：PCB压力传感器，用于检测气源压力参数和气动驱动器压力参数。所述参数，可以通过模拟/数字转换器，转换为相应的数字信号，用于信号处理及传输。
此外，通常在过程控制系统中，需要对各种数据进行存储，以方便工作人员查看，进而判断故障的原因，对故障进行及时处理。本实施例中，所述智能模块还可包括：存储装置，用于存储接收到的参数，所述存储装置与所述CPU电连接。示例性的，还可额外设置显示器，供工作人员现场查看数据。所述显示器与所述CPU电连接。
目前，过程控制系统通常都是采用DCS远程实现，因此在本实施例中，所述智能模块还包括：现场总线通信模块，用于过程控制系统设备间的数字通信。示例性的，可将采集到的各种经过处理的数据发送至远程控制室，方便工作人员随时查看各种运行数据。所述现场总线通模块与所述CPU电连接。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种两线制过程控制系统保护装置，其特征在于，包括：
压力保护模块，用于在气源气压故障时，调整气动驱动器的压力，以驱动过程控制元件，对过程流体进行控制；
信号保护模块，用于在控制信号故障时，对所述压力保护模块进行控制，以使得压力保护模块调整气动驱动器的压力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力保护模块包括：气动先导阀和主阀，所述气动先导阀用于在气源气压故障时，驱动所述主阀，对气动驱动器气路进行切换。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号保护模块包括：微功耗先导阀和主阀，所述微功耗先导阀用于在控制信号故障时调整主阀切换。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号保护模块包括：信号异常检测单元，所述信号异常检测单元，包括：电流/电压转换单元、升压单元和比较单元；
所述电流/电压转换单元，用于将控制信号中的电流转换为对应的电压；
所述升压单元，用于将所述电压进行等比例放大；
所述比较单元，用于将等比例放大的电压与标准故障点电压值进行比较，并根据比较结果输出驱动信号；
所述电流/电压转换单元与所述升压单元电连接，所述升压单元与所述比较单元电连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述信号保护模块还包括：驱动单元，所述驱动单元用于根据比较单元的输出结果，输出相应的脉冲宽度调制信号，用于驱动微功耗先导阀。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述信号异常检测单元还包括：电控开关，所述电控开关分别与电流/电压转换单元和升压单元电连接，由远程电指令控制，用于根据电指令控制过程控制信号的通断。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：智能模块，用于采集处理过程控制系统的参数，所述参数包括：气源压力、气动驱动器压力、电指令信号和过程控制信号；
所述智能模块包括：
PCB压力传感器，用于检测气源压力参数和气动驱动器压力参数；
模拟/数字转换器，用于将模拟信号转换为数字信号参数；
CPU，用于对接收到参数进行处理；
所述PCB压力传感器与所述模拟/数字转换器电连接，所述CPU与所述模拟/数字转换器电连接。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述模拟/数字转换器与电流/电压转换单元电连接。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述智能模块还包括：存储装置，用于存储接收到的参数，所述存储装置与所述CPU电连接。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述智能模块还包括：现场总线通信模块，用于和过程控制系统设备进行数字通信；
所述现场总线通信模块与所述CPU电连接。
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- 2018-11-08 CN CN201811327435.1A patent/CN109343492B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109343492B (zh) | 2021-02-12 |
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