開關量在順序控制與熱工保護回路中的應用

孫紀偉，李 俊

（華能太倉發電有限責任公司，江蘇 蘇州 215424）

0 引言

隨著DCS系統(分布式控制系統)在火電廠的廣泛應用，由模擬量析出的開關量越來越多地應用于順序控制與熱工保護回路，熱控測量裝置也逐漸開始使用現場壓力、差壓、液位和溫度等變送器替代現場的相應邏輯開關。這樣既節約了邏輯開關和電纜的費用，又簡化了DCS系統的硬件配置和外部接線回路，但同時也會在技術性能上對熱工保護回路的響應時間和機組的安全運行產生影響。因此需考慮熱工保護回路中由模擬量析出的開關量與邏輯開關的開關量的合理搭配問題。

1 概念定義

1.1 開關量

開關量主要指開入量和開出量，是指一個裝置所帶的輔助點，如變壓器的溫控器所帶的繼電器的輔助點(變壓器超溫后變位)、閥門凸輪開關所帶的輔助點(閥門開關后變位)，接觸器所帶的輔助點(接觸器動作后變位)、熱繼電器所帶的輔助點(熱繼電器動作后變位)。這些點一般都傳給PLC，DCS或綜保裝置，由PLC，DCS或綜保裝置提供電源，自己本身不帶電源，因此稱作無源接點，也稱作PLC，DCS或綜保裝置的開入量。

1.2 數字量

在時間上和數量上都是離散的物理量稱為數字量。表示數字量的信號即為數字信號，工作在數字信號下的電子電路即為數字電路。

例如：用電子電路記錄從自動生產線上輸出的零件數目時，每送出1個零件便給電子電路1個信號，使之記1，而沒有零件送出時加給電子電路的信號是0，則未記數。由此可見，零件數目這個信號無論在時間上還是在數量上都是不連續的，只是一個數字信號，最小的數量單位就是1個。

1.3 模擬量

在時間上或數值上都是連續的物理量稱為模擬量。表示模擬量的信號稱為模擬信號，工作在模擬信號下的電子電路稱為模擬電路。

例如：熱電偶在工作時輸出的電壓信號就屬于模擬信號，因為在任何情況下被測溫度都不可能發生突跳，所以測得的電壓信號無論在時間上還是在數量上都是連續的。而且，這個電壓信號在連續變化過程中的任何一個取值都表示一個相應的溫度。

1.4 轉換原理

（1） 數模轉換器是將數字信號轉換為模擬信號的系統，一般采用低通濾波即可實現。先將數字信號進行解碼，即把數字碼轉換成與之對應的電平，形成階梯狀信號，然后再進行低通濾波。根據信號與系統的理論，可將數字階梯狀信號看作理想沖激采樣信號和矩形脈沖信號的卷積。由卷積定理可知，數字信號的頻譜就是沖激采樣信號的頻譜與矩形脈沖頻譜(即Sa函數)的乘積。這樣，用Sa函數的倒數作為頻譜特性補償，由數字信號便可恢復為采樣信號。由采樣定理可知，采樣信號的頻譜經理想低通濾波后便可得到原來模擬信號的頻譜。但由于尖銳的采樣信號很難獲得，因此，一般將這2次濾波(Sa函數和理想低通濾波)合并(級聯)，且在真實的系統中只能近似完成。

(2)模數轉換器是將模擬信號轉換成數字信號的系統，是一個濾波和采樣保持和編碼的過程。模擬信號經帶限濾波，采樣保持電路，變為階梯形狀信號，然后通過編碼器，使得階梯狀信號中的各個電平變為二進制碼。

1.5 開關量控制

順序控制與熱工保護均屬于開關量控制范疇，因此也稱為熱工開關量控制系統。順序控制與熱工保護系統的輸入信號包含直接測量得到的開關量信號(開關量邏輯開關)以及由DCS系統內的模擬量信號轉換來的開關量信號。

1.6 邏輯開關

邏輯開關是電廠機組熱工保護回路最重要的測量傳感一次環節，是電廠機組安全運行的保證。當邏輯開關測量到熱力介質的參數超過報警聯動值時，熱工保護回路就會用聲光報警提醒運行人員，同時聯動相關設備，使熱力介質的參數回歸正常范圍，保障機組安全運行。當邏輯開關測量到熱力介質的參數超過保護動作值時，熱工保護回路就會用聲光報警提醒運行人員，同時聯跳機組機、電、爐相關設備，使運行的發電機組能及時、安全停運，將發電機組的設備損傷減到最小。

2 邏輯開關的開關量與模擬量析出的開關量

傳感器是將溫度、壓力、液位、物料、氣體特性等非電物理量按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱，通常由敏感元件和轉換元件組成，主要用于將物理信號轉換為電信號和位移信號。

模擬量析出的開關量是將變送器輸出的標準電流電壓信號(0～5 V直流電壓或4～20 mA直流電流信號)通過DCS模擬量I/O通道直接采集，經DCS模擬量I/O通道的模數轉換和處理器的數模轉換后，在DCS顯示模擬量與定值進行邏輯判斷后析出的開關量信號。該開關量在此后順序控制與熱工保護邏輯中運算的效果與邏輯開關的開關量效果一致。但是經過之前的模數轉換和數模轉換均會產生較大的延遲，在DPU運算的后幾個周期出現此開關量時 “模擬量析出的開關量”才起作用。而在快速控制系統中，若開關量不能在DPU中經過1個運算周期得出運算結果，就會因為時序紊亂而產生致命的邏輯錯誤。

邏輯開關是將傳感器的位移信號直接放大，動作微動開關，通過DCS開關量I/O通道直接采集的開關量信號，在DCS的順序控制與熱工保護邏輯中直接運算，在DPU中經過1個運算周期就得出運算結果。其最大的優點就是快速、直接，也是至今不適合用模擬量析出的開關量來替代的原因。

2種開關量工作流程情況比較如下。

(1)模擬量析出的開關量：變速器→模擬量采集卡的模數轉換→系統數模轉換→模擬量顯示→邏輯條件判斷析出開關量→順控(保護)邏輯運算→開關量輸出卡→驅動現場設備。

(2)邏輯開關的開關量：邏輯開關→開關量采集卡→順控(保護)邏輯運算→開關量輸出卡→驅動現場設備。

若現場設備需要直接聯動，則邏輯開關同時可輸出2個開關量，一個去聯動就地設備，另一個送順控(保護)進行邏輯運算，這是模擬量析出的開關量無法做到的。

例如：在汽輪機的EH油系統中，由于EH油系統工作壓力高達11～14 MPa，油箱的容量較主機潤滑油箱要小得多，且EH油系統控制的汽輪機主汽門和調門是一個快速響應，故該系統的保護全部使用壓力、液位和流量的邏輯開關，可及時響應，使保護快速動作。某汽輪機EH油泄漏，EH油的液位開關先于液位變送器發出低液位報警，并及時啟動保護，保證在EH油系統癱瘓前將主汽門和調門全部關閉，保障了發電機組順利停運。

3 邏輯開關的特點

邏輯開關最大的優點是簡單有效、快速直接，其工作原理如圖1所示。主要性能特點如下。

(1)動作值：被測參數上升(或下降)達到某一規定值時，開關量邏輯開關輸出觸點的狀態發生改變，這個規定值稱為動作值(閾值)。

(2)復原值：當被測參數返回到某一值復位時，該值稱為復原值。

(3)切換差：動作值與復原值之間的差值。切換差不同于模擬測量中的誤差，測量誤差應越小越好，而切換差并不是越小越好。干擾信號大的場合，應選用切換差大的產品；干擾信號小的場合，應選用切換差小的產品。

(4)開關量邏輯開關觸點的閉合或斷開是在瞬間完成的，響應速度為毫秒級，具有繼電器特性，因此可稱為繼電器，如壓力繼電器、溫度繼電器等，最適合現場系統需要保護快速響應的回路。

邏輯開關的主要品種有：壓力開關、差壓開關、流量開關、液位開關、溫度開關等。

圖1 邏輯開關工作原理示意

4 邏輯開關引進后的發展情況

我國于上世紀90年代初引進“邏輯開關”，并在設計規范中規定順序控制和熱工保護回路現場必須設計“邏輯開關”。但由于當時我國的設計人員對“邏輯開關”性能了解不夠，故“邏輯開關”設計選型經常出現錯誤，尤其是錯把介質的測量范圍當成邏輯開關的設定范圍來選型，從而給電廠自動控制人員留下 “邏輯開關還不如電接點儀表可靠”的誤解。

2000年，“邏輯開關”應用趨于成熟，其種類愈來愈多，應用領域越來越廣。但是還存在“邏輯開關”部分設計選型錯誤；“邏輯開關”國內外品牌繁多，質量良莠不齊；國外品牌的“邏輯開關”以低參數冒充高參數；國內仿制產品的材質不過關等現象，造成電力系統自動控制人員對“邏輯開關”的產品缺乏信心。

2010年后“邏輯開關”品牌大都確定，使用領域也已確定，并且新型的無源型“邏輯開關”也橫空出世。電子壓力開關是以高性能電子元器件為基礎，以進口高精度壓力敏感元件為測量元件，采用先進的數字電路把壓力敏感元感應的電力信號轉換成開關信號，具有準確度高、體積小，易操作、使用和安裝等優點，直接向PLC，DCS和綜保裝置提供無源觸點，利用開關量采集的訪問電壓工作，無需外供電源，已廣泛應用于化工、機械、水文、電力等系統的壓力控制和自動化過程控制系統中。

在電廠自動化程度越來越高的今天，為精簡系統測點可以將模擬量析出開關量替代部分保護用的邏輯開關，如：變化緩慢的溫度信號、高溫高壓的液位信號(邏輯開關無法完成測量的信號)。但對需要快速響應的保護信號，如壓力、流量和液位開關量信號，應盡量使用響應快速的邏輯開關。