专利名称：智能仪表多种故障的模拟信号指示方法
技术领域：
本发明属于工业自动化仪表领域，特别涉及一种智能仪表当出现多种故障状态时采用二线制模拟信号进行远程报警指示的新方法。
背景技术：
工业自动化仪表广泛用于化工、炼油、石化、电力、冶金、钢铁、造纸、建材、制药、能源、环保等流程工业过程自动化控制系统中，包括温度变送器、压力/差压变送器、液位变送器、流量变送器(计)、在线分析仪等各类检测仪表，和电气阀门定位器、电动执行机构等执行仪表，以及调节器等控制仪表。工业过程自动化控制系统长期以来普遍采用国际标准的4～20mA.DC制式的模拟直流电流信号来进行测量或控制信息的传递，该信号制式主要有两方面的意义一是直流电流信号相对于早期的气动压力信号而言信息传输迅速没有延迟并且信号易于产生与处理，相对于直流电压信号而言信号不会衰减抗干扰能力强因而适宜远距离传输，另一个方面采用电流环的4mA为信号起始点即“活零点”，可以用小于4mA电流为低功耗仪表提供工作电源，使其成为“二线制”仪表。通常，检测仪表输出4～20mA.DC信号表示工艺参数的测量值，执行仪表接受输入的4～20mA.DC控制信号去调节介质流量并往往再另外输出4～20mA.DC信号表示实际测量的阀位开度。目前工业自动化仪表在向智能化方向发展，如智能检测仪表(智能变送器、智能流量计等)、智能执行器(智能电气阀门定位器、智能电动执行机构)、无纸记录仪或DCS等，普遍嵌入了微处理器，使仪表具有运行工作状况和应用环境状况的多种故障诊断功能，这些故障信息往往需要远程传送到中央控制室等处进行报警指示，便于用户处理和维护，然而在故障远程报警指示方面却存在重大的不足。目前智能仪表对于诊断到的多种故障进行远程报警指示的方法有两种一是大多数采用多个有源或无源触点的开关量信号的不同组合指示故障信息，如SIEMENS的SIPART PS2智能电气阀门定位器等，缺点首先是要增加多个信号传输线，大量增加了DCS系统以及整个自动化系统的复杂性以及建设和维护成本，其次是这些开关量信号远程传输容易受到电磁干扰从而误报警；另一种是采用某种通信方式，这对于绝大多数非现场总线网络的自动化系统，仍然存在上述缺点，并且由于需要通信硬件接口和软件驱动而更加复杂难以使用。因而，虽然目前在大量使用智能仪表，但自动化系统仍然仅限于用4～20mA.DC的模拟信号传递测量与控制信息，没有充分利用智能仪表的故障诊断信息发挥出智能仪表的作用，使得整个自动化控制系统的可靠性安全性低、运行维护不方便。
发明内容
本发明是针对智能仪表故障远程报警指示方法存在的问题，提供一种基于4～20mA.DC信号制式进行测量与控制信息传递的同时进行故障远程报警指示的方法。
本发明方法包括以下步骤(a)根据智能仪表具体的电路设计和要求的负载阻抗确定仪表电流环路输出的有效信号范围；(b)该有效信号范围减去4～20mA正常工作信号范围即为可用于故障指示的报警电流信号范围；(c)根据需要指示的故障信息数对报警电流信号范围进行间隔分档，指定各故障信息对应的报警电流值，并根据选定的DA转换器得到对应的数字编码；(d)发生故障时，根据故障状态向DA转换器发送相应的数字编码，由DA转换器和电压电流转换电路产生相应的报警电流，用于远程报警指示。
步骤(a)所述的确定仪表电流环路输出的有效信号范围，可根据智能仪表具体的电路设计和要求的负载阻抗以及环路供电电压来确定。
最大输出环路电流＝(环路最小供电电压)÷(仪表最大内阻+线路阻抗+最大负载阻抗)最小输出环路电流＝4mA(通常对于“二线制”供电仪表而言)或0mA(对于非“二线制”单独供电的仪表而言)输出的有效信号范围＝最大输出环路电流-最小输出环路电流。
步骤(b)所述的确定报警电流信号范围是指仪表电流环路输出的有效信号范围减去4～20mA正常工作信号范围。比如步骤(a)得到的输出的有效信号范围为4～24mA，那么，报警电流信号范围即为20～24mA。
步骤(c)所述的确定各故障信息对应的报警电流值，是根据需要指示的故障信息数对报警电流信号范围进行间隔分档，指定各故障信息对应的报警电流值。比如步骤(b)得到的报警电流信号范围即为20～24mA，需要指示的有4个故障信息，可指定1#、2#、3#、4#故障分别用21mA、22mA、23mA、24mA的报警电流来指示。
步骤(d)所述的编程输出不同的电流，是根据智能仪表输出部分的数模转换和电压电流转换电路，计算各报警模拟电流值对应的数字量代码，由微处理器编程判断故障信息给数模转换输出相应的数字量代码。
由于智能仪表通常具有组态与参数设置功能，在同一自动化系统内智能仪表和DCS对于故障指示的组态必须协调一致。
本发明的基本依据有两点。一是标准的4～20mA.DC信号制是指4mA到20mA信号范围为正常信息，但仪表的实际电流环路输出范围总是要超过该范围即会小于4mA和大于20mA，只是超出4mA到20mA范围的信号目前作为无效信号未被使用；二是目前的智能仪表，普遍嵌入了微处理器使其具有多种智能化功能，其中包括运行工作状况及应用环境状况的多种故障诊断功能和通常具有参数的灵活组态设置功能。
本发明的原理是采用仪表的电流环路输出小于4mA或大于20mA范围的模拟直流电流信号进行故障指示报警，对于不同的故障信息采用有一定间隔分档的电流来表示，可以实现远程报警。而4mA到20mA范围的信号仍然指示正常工作信息。
图1为本发明实施例的智能仪表4～20mA输出电流环路电路图示例；图2为图1的4～20mA.DC信号制模拟直流电流信号功能段划分示例；图3为图1中4#故障报警电流(22.0mA)指示时序图示例；图4为图1中报警电流模式输出部分微处理器程序流程图示例。
具体实施例方式
本发明的具体实施结果有多种，图1～图4为一种典型实施示例。
如图1所示为一种智能仪表多种故障采用二线制模拟信号进行远程报警指示的输出部分电路图。该电路为现有智能仪表的典型电路，包括微处理器MCU、数模转换器AD421、三极管DN25D以及外围的电阻、电容元件等。虚线框部分为外部负载RL和环路供电电源EL，不属于该仪表电路。
如图2所示为图1电路的4～20mA.DC信号制模拟直流电流信号功能段划分示例。假设EL＝24V、RL≤750Ω，则仪表电流环路输出的有效信号范围为4～25mA，减去4～20mA正常工作信号范围，得到报警电流信号范围即为20～25mA，并设有1#～8#共8个故障信息需要指示，则以间隔0.5mA分档可足以保证远程指示信息接收端能准确区分故障信息而不会误指示，即分别用20.5mA、21.0mA、21.5mA、22.0mA、22.5mA、23.0mA、23.5mA、24.0mA的报警电流值来对应指示1#～8#故障。
表1为图1电路的4～20mA.DC信号制报警电流模式输入输出编程代码表示例。数字量代码01 48 00、01 50 00、01 58 00、01 60 00、01 68 00、0170 00、01 78 00、01 80 00分别对应20.5mA、21.0mA、21.5mA、22.0mA、22.5mA、23.0mA、23.5mA、24.0mA的电流输出指示1#～8#故障信息。
表1
如图3所示为图1中4#故障报警电流(22.0mA)指示工作D/A输出时序图示意。
如图4所示为图1电路的报警电流模式输出部分微处理器程序流程图示例，包括如下步骤(1)判断仪表工作状态是否正常，如果正常则转(2)，如果有故障则转(3)；(2)对于正常状态，4mA编码为00 4000，编码每增加1LSB对应电流增加244nA，计算4mA～20mA的输出编码正常输出编码＝[(正常输出电流mA-4mA)×106÷244]+004000，然后转(4)；(3)判断故障信息，查表1得到对应故障报警电流编码，然后转(4)；(4)微处理器MCU通过串行通信将编码送数模转换器AD421，由图1电路的4～20mA.DC环路输出即可得到相应的故障报警电流指示。
权利要求
1.智能仪表多种故障的模拟信号指示方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a)根据智能仪表具体的电路设计和要求的负载阻抗确定仪表电流环路输出的有效信号范围；(b)该有效信号范围减去4～20mA正常工作信号范围即为可用于故障指示的报警电流信号范围；(c)根据需要指示的故障信息数对报警电流信号范围进行间隔分档，指定各故障信息对应的报警电流值，并根据选定的DA转换器得到对应的数字编码；(d)发生故障时，根据故障状态向DA转换器发送相应的数字编码，由DA转换器和电压电流转换电路产生相应的报警电流，用于远程报警指示。
2.如权利要求1所述的智能仪表多种故障的模拟信号指示方法，其特征在于步骤(a)所述的确定仪表电流环路输出的有效信号范围，是根据智能仪表具体的电路设计和要求的负载阻抗以及环路供电电压来确定。
全文摘要
本发明涉及一种智能仪表故障远程报警指示的方法。目前故障远程报警指示的方法易受干扰并且设备复杂。本发明方法步骤是确定仪表电流环路输出的有效信号范围、减去4～20mA正常工作信号范围即为可用于故障指示的报警电流信号范围、根据需要指示的故障信息数对报警电流信号范围进行间隔分档、发生故障时，根据故障状态向DA转换器发送相应的数字编码，由DA转换器和电压电流转换电路产生相应的报警电流，用于远程报警指示。本发明的原理是采用仪表的电流环路输出小于4mA或大于20mA范围的模拟直流电流信号进行故障指示报警，对于不同的故障信息采用有一定间隔分档的电流来表示，可以实现远程报警。
文档编号G08B25/00GK1909002SQ20061005084
公开日2007年2月7日 申请日期2006年5月22日 优先权日2006年5月22日
发明者尚群立 申请人:杭州电子科技大学