壓力開關兩線制與智能一體化儀表的研究與應用

吳鶴春，林 昇，賀江瑜，楊佰瑧，楊 昉，李 華，周立宏，蔣 榮，劉 潤

（華能國際電力股份公司 工程部，北京 101102）

0 引言

熱工儀表按信號性質分為模擬量和開關量兩大類，相互依賴。隨著電子技術的發展，電動儀表[1]很快被兩線制變送器替代，兩線制變送器性能優越，穩定可靠。但機械式壓力開關仍停留在軟膜彈簧微動開關的結構上，卡澀、漂移[2]現象時有發生，并且不能被監控，如圖1 所示。

圖1 機械式壓力開關，軟膜、彈簧、微動開關Fig.1 Mechanical pressure switches，diaphragm，spring, micro switch

圖2 DCS/PLC開關量輸入DI原理Fig. 2 Principle DI DCS/PLC switch input

為了克服以上存在的問題，經過反復的試驗和研究，從理論上探明了開關量兩線制的基本原理，建立了兩線制供電與信號的分界規范和標準。在技術上實現了120uA 電子壓力開關，突破了微功耗的開關量兩線制的瓶頸。在此基礎上，實現了160uA 智能壓力開關和隔離型變送器的一體化儀表，并在上百個電廠獲得了成功應用，真正實現了壓力開關的兩線制電子化和智能化的技術進步。

本文從兩線制的原理出發，全面敘述了開關量兩線制的基理，微功耗核心技術，微功耗優勢，電子開關與機械式開關的比較，兩線制智能壓力開關、開關變送器一體化、一表多用的通用性能。經現場多年應用，效果明顯。

1 儀表的兩線制

1.1 兩線制

兩線制是儀表信號與電源共用兩根線，常見的如變送器，4mA 以下是給儀表供電，4mA ～20mA 是模擬信號。也簡稱為LOOP POWER（信號回路供電）。

由于種種原因，開關量沒有類似的規范，開關量一直由軟膜驅動微動開關的機械式開關來實現，其性能一直得不到提高，特別是卡澀、漂移，不可監控的致命性弱點一直得不到改進，致使自動化水平特別是保護系統的可靠性得不到提高和改進。

1.2 DCS/PLC開關量輸入

DCS/PLC DI 如圖1 所示，由電源-限流電阻-光電隔離器-開關-地完成回路，開關信號線與DCS/PLC 輸入端DI 相連，DCS/PLC 輸入端DI 的電壓叫查詢電壓。

開關動作后引起光隔的二極管發光，三極管狀態發生翻轉，產生邏輯“1”。

開關不動作時，輸入端查詢電壓為24V 或48V，電流接近零，光隔二極管不導通，三極管狀態不翻轉，輸出為邏輯“0”。

1.3 開關量兩線制

眾所周知，二極管PN 結的導通電流為300uA，如果電流小于200uA 時，二極管不會導通。據此，如果電子壓力開關工作電流小于200uA 時，DI 輸入的光隔的二極管不會導通，也就不會發光，三極管不會翻轉。當壓力超過定值時，壓力開關動作后，光隔二極管導通發光，三極管翻轉，產生邏輯“1”。如果利用200uA 的電流保證儀表的正常工作，檢測壓力值并進行邏輯運算，控制開關導通與截止、控制DI 的光隔的導通與截止，從而實現信號和供電共用兩根線的開關量兩線制。

基于這個原理，利用200uA 為儀表供電，可以實現供電和信號共用的兩線制規范。

1.4 開關量兩線制的瓶頸

按照傳統儀表，傳感器供電電流為1mA ～2mA，儀表與單片機都會放大供電幾毫安不等。因此，開關量兩線制的根本難題在于使其工作電流小于200uA，幾乎是不可能的事情，所以沒有人去想，更沒有人去做。國內外沒有任何研究可供借鑒，沒有教科書，沒有標準，從技術上說是個空白，是長期以來開關量不能電子化的瓶頸。

2 兩線制電子壓力開關

2.1 兩線制電子壓力開關的研制

實現壓力開關兩線制的關鍵是要保證整個儀表的功耗低于200uA，據此把總的功耗分配到各個模塊，其中傳感器模塊電流50uA，信號調理50uA，定值、電源、IGBT 合計20uA。

然后，根據功能要求和功耗對器件進行篩選和定制，再把所選的器件組成的模塊進行仿真試驗，在仿真成功的基礎上集成到整機板上進行試驗，經過幾百次的反復試驗，2007 年終于完成了第1 臺120uA 微功耗電子壓力開關的研制。

該產品的研制成功主要是發現了200uA 開關量工作電流不引起DCS/PLC 誤動的標準，并用這個標準把產品研制成功，驗證了這一標準的可行性，從而把開關量的兩線制從理論分析落實到產品，變成了現實。

圖3 壓力開關原理圖Fig. 3 Schematic diagram of pressure switch

圖4 通遼勝發電廠爐膛壓力開關Fig.4 Furnace pressure switch in Tongliao Sheng power plant

2.2 兩線制的特點

兩線制電子壓力開關應用后優勢顯現。主要如下：

1）可靠性高，不故障：兩線制電子壓力開關投入現場后，從2012 年開始有幾千只業績，至今沒有發現自身原因導致的故障，誤動率和拒動率為零[13,14]。究其原因，一方面不銹鋼擴散硅充油體工藝和質量可靠；另一方面儀表電路功耗低，故障率極低[7]。

2）沒有自熱，不漂移：由于微功耗擴散硅充油體傳感器工作電流只有50uA，傳感器沒有自熱，自熱引起的漂移基本為零，加上微功耗儀表放大器只有50uA，其它元器件20uA 沒有自熱引起的阻值變化、工作點漂移，儀表性能極其穩定。如用戶通遼勝發電廠應用爐膛壓力[6,17]，一年后校驗發現設定值不變，兩年后再次校驗，確認開關沒有漂移。

3）抗振抗擾，耐高溫

①抗振：兩線制電子壓力開關從不銹鋼傳感器到電路板沒有可活動部件，相互制約，抗振性能好[9,12]。

②抗擾：抗干擾是保證產品可靠的基本要求，對微功耗產品尤為重要。不但在結構上采用分倉設計，在電路上采用大功率共模，保證EMC 符合國際標準[10,11]，1MHz ～80MHz 的干擾電壓達到了20V 沒有影響，比軍標10V 高1 倍，因此應用中未見產品受干擾發生誤動。

③耐溫：根據核電40 年壽命測試標準，成功地進行了一組20 只開關的138℃10 天加速試驗，無一故障，誤差不超標。

4）精度高，速度快

①精度：0.5，為-10℃～80℃全程保證值[8]。

②速度：1ms 比機械式開關速度快40ms[5]。

5）無條件替代機械式開關

①電壓等級：采用大功率IGBT[4]，從24V AC/DC ～220V AC/DC 交流直流通用。

②兩線：和機械式開關一樣，兩線不分極性，不需要作任何改動。

圖5 兩線制電子壓力開關結構Fig. 5 Two-wire electronic pressure switch structure

2.3 兩線制壓力開關硬件的可靠性

1） 結構

從圖5 可見，兩線制電子壓力開關沒有可活動部件。由于沒有彈簧、軟膜和微動開關部件，因而沒有機械卡澀和機械漂移。

2）傳感器

從圖6 可見，兩線制電子壓力開關傳感器采用擴散硅充油體傳感器，不繡鋼波紋膜，位移小，具有阻尼和保護，因此不會引起老化和破裂等故障。

3 兩線制智能壓力開關變送器一體化儀表

3.1 兩線制智能壓力開關的研制

圖6 兩線制電子壓力開關傳感器Fig. 6 Two-wire electronic pressure switch sensor

圖7 兩線制智能數顯壓力開關變送器一體化儀表Fig.7 Two-wire intelligent digital display pressure switch transmitter integrated instrument

兩線制電子壓力開關的廣泛應用，用戶不斷提出監控和免維護校驗的要求，2016 年完成了兩線制智能壓力開關變送器一體化儀表的研制，受到了用戶的歡迎。

基于兩線制開關200uA 的上限標準，各微功耗模塊電流分配；壓力傳感器（或熱電阻、熱電偶）功耗為50uA，儀表放大40uA，單片機MCU（A/D 轉換，輸出DO 驅動IGBT[4]控制開關狀態）50uA、液晶顯示10uA，實際整機工作電流160uA。

為了保證遠方監控，同時提供D/A 輸出4mA ～20mA變送器輸出信號，并且為電源和信號完全隔離的變送器輸出。實現了兩線制數顯壓力開關變送器一體化的新一代儀表，其原理如圖7 所示。

圖8 華能玉環、巣湖電廠爐膛壓力兩線制開關Fig.8 Two-line switch of furnace pressure in Huaneng Yuhuan and Chaohu power plant

3 .2 兩線制智能壓力開關的優勢

兩線制智能壓力開關保留了兩線制電子壓力開關的基本特點，除功耗低、不漂移、無故障、精度高等優勢外，還具有以下兩個智能化的特點：

1）可監控、可預測。兩線制智能壓力開關能通過數顯展示壓力值，可設定動作值、返回值、延時和常開/常閉接點信號，可進行五點標定。壓力值的顯示提供了對測量系統正常與否的判斷。

如接線不良或斷線，顯示黑屏。如未接管或泄漏，壓力值為零；如堵管則壓力值不變。從這些信息完全可以判斷壓力開關的工作狀態，為保護系統提供了可視、可查、可監控、可預測的辦法，為電廠保護可靠性的提高提供了根本性的保證。

2）免校驗、免維護。

①不校驗：兩線制智能壓力開關的零位、量程在出廠時已標定，所以定值、返回值在顯示屏上通過按鍵可直接設定[15,16]，大大減少了熱工人員的調試工作。

②免維護：一方面由于兩線制智能壓力開關具有零故障和不漂移的性能，具備免維護條件；另一方面從狀態檢修的辦法，利用常規的巡檢，對有異常的進行維護。即便大修，就地加壓比對即可，避免了頻繁拆裝帶來的人力浪費以及諸如機械式壓力開關接線松動或接觸不良、儀表管接頭泄漏等人為失誤引起的故障。

4 兩線制智能壓力開關的應用

自2012 年兩線制電子壓力開關投用以來已有幾千臺，擁有上百個電廠、化工廠、鋼鐵廠、水泵廠的應用業績。

1）電廠鍋爐：用于爐膛壓力的有華能玉環、巢湖電廠、白山電廠、通遼勝發等；用于磨煤機的有國電寶慶、華能左權、南通、岳陽等廠；用于等離子系統的有華能海門、金陵電廠等；用于燃油系統的有華能南通、大連等。

2）電廠汽機：用于油系統的有華能北京熱電燃機交流油泵、華能德州小機掛閘油壓、丹東等電廠；用于濾網差壓的有華能德州、南通、石二、大連、丹東、岳陽電廠、國電；用于真空或壓力的有華能包二、兩江燃機、辛店電廠、秦山核電站二期凝泵出口壓力等。

3）化工、鋼鐵：鋼高爐氧化風機入口濾網差壓、索普化工集團聯鎖保護，威海化工、鞍鋼、本鋼等。

以上應用，用戶反應壓力開關性能穩定可靠，未發生誤動、拒動現象，應用效果良好。

5 結論

眾所周知，由于機械式壓力開關的種種不良，很多場合采用變送器來替代壓力開關。在壓力開關性能沒有根本改變時，確實就是最好的辦法。但兩線制智能壓力開關的出現，從根本上改變了機械式壓力開關的不足，為控制系統提供了最合理、簡單、經濟、快速和抗干擾性良好的保護與控制元件，必將為保護系統的可靠性帶來根本性的提高。

1）合理：避免了變送器A/D 輸入，D/A 輸出，避免了DCS 的D/A 多次轉換帶的累積延時和累積誤差。

2）簡單：把物理量直接轉換成開關量進行控制，系統簡單、可靠。

3）經濟：DCS/PLC DI 開關量要比AI 經濟很多，其原因主要是開關量沒有A/D 器件，加上模擬量電路要復雜，所以DI 造價要低很多。

4）速度：控制器的浮點運算占用的時間、內存要比開關量多很多，特別是在汽機保護那種要求小于50ms 或更快的場合，更是非常關健（請注意：不要誤認為臺式計算機速度很快，控制器就可以做到很快，實際上控制器往往要比臺式計算機落后近10 年，速度和內存資源并不十分寬裕）。

5）抗干擾：從前可知，DCS/PLC 的DI 是采用光電隔離器來保證信號的可靠性的，但模擬量則仍沒有類似強大的隔離器件，一方面模擬量隔離器件昂貴，另一方面隔離電路復雜，所以采用開關量的抗干擾能力要比模擬量更簡單、經濟、可靠。

兩線制電子或智能壓力開關是電子技術、傳感器、計算機技術發展的必然結果，具備無條件替代機械式開關的能力和優勢，是變送器不可替代的同樣重要的儀表，一體化儀表的誕生為減少儀表種類，減少備品數量提供了有利的條件。

展望未來，在兩線制壓力（含差壓、溫度）開關變送器一體化的基礎上，推廣到液位、料位、流量等儀表，全面實現兩線制必將為儀表發展帶來新的一代微功耗智能化產品，從而大大提高儀表的可靠性和穩定性，真正邁向微功耗智能化的新時代。