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DCS控制器输出电流回路三种图分析
编辑: 来源: 发布时间:2020-03-12

        4-20 mA电流回路的最简单形式是用于表示过程控制器的输出的类型,它将命令信号发送到最终控制元件。在此,控制器将电力和信号信息同时提供给最终的控制元件,该元件用作电负载。为了说明这一点,请考虑一个控制器向I / P(电流至压力)信号转换器发送4-20 mA信号的示例,该控制器随后以气动方式驱动控制阀:

气动方式驱动控制阀
注意:电流到压力转换器是阀门定位器的一部分
 
这种特殊的控制器具有两个数字显示器,一个用于过程变量(PV),一个用于设定点(SP),并带有用于显示输出值(Out)的条形图。一个按钮为操作员提供了一种在自动和手动模式(A / M)之间切换的方式,而另外两个按钮则提供了一种方法来减小和增加设定值(在自动模式下)或输出值(在手动模式下)。
 
在控制器内部,一个独立的电流源将4-20 mA DC电流信号提供给I / P传感器。像所有电流源一样,其目的是保持“环路”电路中的电流,而不管电路电阻或任何外部电压源如何。与恒定电流源不同,“依赖”电流源(用菱形而不是圆形表示)会根据某些外部刺激来改变其电流值。在这种情况下,控制器的数学功能(自动模式)或操作员的任意动作(手动模式)会告诉电流源电路中应保持多少直流电流。
 
例如,如果操作员碰巧将控制器切换到手动模式并将输出值设置为50%,则此信号百分比的适当直流电流量将为12 mA(恰好是4 mA和20 mA之间的一半)。如果一切正常,则无论导线电阻,I / P线圈电阻或其他任何微小变化如何,流向I / P换能器的“回路”电路中的电流均应保持在12 mA。为了保持此设定电流量,将尽可能“打”它。流过I / P换能器机构的线圈的电流,在I / P内部创建磁场以致动气动机构,并产生9 PSI压力信号输出到控制阀(9 PSI正好在3-15 PSI信号标准范围内的3 PSI和15 PSI之间的一半) 。这应将控制阀移至中位。
 
控制器内部电流源的细节并不十分重要。通常,它采用运算放大器电路的形式,该电路由DAC(数模转换器)的电压输出驱动。DAC将二进制数(从控制器的自动计算或人工操作员的手动设置)转换成较小的DC电压,然后命令运算放大器电路将输出电流调节为成比例的值。
 
如果大家将I / P和控制阀替换为变速电动机驱动器,则情况几乎相同。从控制器的角度来看,它看到的唯一区别是电阻负载而不是电感负载。电机驱动电路的输入电阻将4-20 mA信号转换为模拟电压信号(通常为1-5 V,但并非总是如此)。然后,此电压信号命令电动机驱动电路,告诉它调制流向电动机的功率,以便以所需速度驱动电动机:
速度驱动电动机
此处,变速电动机驱动器是一种大功率电子电路,可吸取三相交流电并将其转换为可变电压的直流电(该电压电平由来自控制器输出的4-20 mA信号控制) 。电动机的另一种“驱动器”是输入交流电并以可变的电压和频率输出三相交流电,以为交流感应电动机供电。后一种样式通常称为变频驱动器或VFD,但在控制器输出上看起来相同:固定的电阻负载,接受4-20 mA输出信号。
 
在某些过程应用中,最终控制元件是“反作用”的,因为控制器输出电流值为4 mA告诉FCE达到其“满”(100%)容量,而控制器输出电流值为20 mA则命令FCE达到其最小(0%)容量。I / P传感器驱动“空气关闭”气动控制阀时就是这种情况,其中阀的弹簧用来推动节流机构打开,而阀膜片上的气压则用来推动节流机构关闭。设计这样的控制系统的一个实际原因是,如果过程安全的指示要求在仪器空气供应出现故障或4-20 mA输出信号电路出现故障的情况下将阀门完全打开。
 
在这样的应用中,大家需要对控制器进行配置,以使输出显示(数字读数和/或条形图)为反向指示,以免使使用该控制器的操作人员感到困惑。由于4 mA代表全开控制阀,而20 mA代表全关控制阀,因此当电流信号为20 mA时,反向指示控制器将显示0%的输出,而当电流信号为4 mA时,反向指示控制器将显示100%的输出(即控制器显示是控制阀杆位置的直接表示,而不是电流信号本身的表示):
控制器面板
应当注意,控制器面板上的正向或反向指示与控制器算法的正向或反向控制动作无关。前者仅仅是以图形方式向操作员表示输出信号的方式,而后者是负反馈控制所需的过程变量(PV)信号与控制器的输出(MV)信号之间的关系。出于争论的目的,即使该控制器的输出条形图显示是反向的,以便向操作员忠实显示阀杆位置,该控制器的自动动作仍可以是直接的(即,更大的PV信号=更大的输出信号)。

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