整流柜控制信號切換裝置應用分析

張建超

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山063305）

根據氯堿化工電解工藝對整流裝置直流輸出電流穩定性的要求，必須采用穩定可靠的直流穩流控制系統。作為整流裝置穩流控制的核心，信號采集裝置直流傳感器直接關系到直流電流輸出的穩定程度，對整流裝置和電解設備有重要的安全影響。

1 整流裝置概況

唐山三友氯堿有限責任公司采用的是離子膜法燒堿生產工藝，共計24臺整流柜為24臺零極距電解槽提供直流電。每臺電解槽母線側一進一出正負銅排分別裝有一臺直流傳感器，用于直流電流的測量，測量值經過轉換處理后，各自控制箱分別輸出一路低壓信號傳輸至整流控制柜數控器中，一路做為主反饋，一路做為備用反饋，用于整流控制系統的閉環調節，并且主反饋還要輸出一路4～20 mA信號傳送至工藝DCS，用于串級調節。

2 整流數控器存在的問題

在實際運行中發現，當主反饋信號出現問題時，作為熱備用的備用反饋不能在整流控制柜數控器中進行切換，嚴重影響整流控制系統的穩定，甚至造成聯鎖停車事故。經過與整流器廠家溝通，得知整流數控器不具備反饋切換功能，且假如數控器能切換到備用反饋，整流系統雖可平穩運行，但是傳送到DCS的4～20 mA信號也是錯誤的，影響到DCS的串級調節，對燒堿系統產生影響，公司也曾發生過因直流傳感器故障導致停槽事故。

3 整流數控改進方案

隨著公司對生產的安全性、穩定性要求越來越高，原有的整流裝置直流信號控制手段已不能滿足要求，經過多次方案論證，結合原有直流傳感器使用情況，提出了新的控制方案，見圖1。

圖1 新的數控方案設計簡圖

（1）加裝一臺輔助傳感器，采用3取2的方式，決定主用傳感器是否正常。

（2）當主用傳感器出現問題時，通過比較后瞬時切換到備用傳感器，備用反饋信號用于整流系統的控制。

（3）主用傳感器輸出一路DCS用4～20 mA信號，當主用傳感器切換到備用傳感器時，DCS信號同時跟隨一同切換，采用備用傳感器輸出的DCS信號作用于串級調節。

拿出具體方案后，與傳感器廠家溝通由其代為開發，研制出了整流柜控制信號切換裝置。其工作原理：在直流側正極或負極銅排處加裝輔助傳感器一臺，輸出一路低壓信號，與主用傳感器與備用傳感器的信號共同進入裝置。上電后默認主用傳感器接通到輸出線路上，控制信號切換箱面板上同時顯示主用、備用和輔助傳感器的測量值。整流柜控制信號切換裝置運行中比較主用、備用和輔助傳感器的值，若主用、備用不一致（相互誤差大于5%以上）時，采用3取2的方式，決定主用傳感器是否正常。如果確認主用傳感器不正常，將備用傳感器信號接通到輸出線路上。若現在正在使用備用傳感器，當主用傳感器恢復正常時，且持續10 s后，將主用傳感器信號接通到輸出線路上。當主用、備用或者輔助傳感器出現不正常時，發出聲光報警，可手動或自動消音。另設有手動切換功能。

主用傳感器和備用傳感器的輸出信號經過控制電纜分別接入切換裝置的主輸入單元、主顯輸入單元和備輸入單元、備顯輸入單元。信號切換裝置比較判斷后通過信號輸出單元將正確信號輸出至整流柜控制電流輸入和DCS4～20 mA輸入，通過顯示輸出單元將正確信號輸出至整流柜電流顯示輸入，另具有至整流柜干接點輸入功能。輔助傳感器信號同樣通過控制電纜接入切換裝置。整流柜控制信號切換裝置外部接線示意圖見圖2。

圖2 整流柜控制柜信號切換裝置外部接線圖

整流柜控制信號切換裝置主要工作原理：來自輔助傳感器、主用傳感器和備用傳感器的3路0～5 V低壓信號經過緩沖電路、再經過模擬量/數字量轉換器轉換后同時供給信號切換裝置CPU單元，整流柜控制信號切換裝置原理框圖見圖3。CPU單元判斷切換算法如下。

圖3 整流柜控制信號切換裝置原理框圖

（1）當主用傳感器與備用傳感器一致或者主用傳感器與輔助傳感器一致時，選用主用傳感器。若當前正在使用備用傳感器接入，上述一致條件持續10 s后，切換到主用傳感器。

（2）當主用傳感器與備用傳感器不一致，且備用傳感器與輔助傳感器一致時，立即切換到備用傳感器。

（3）當主用傳感器、備用傳感器和輔助傳感器3個相互之間不一致時，若主用傳感器測量值大于備用傳感器測量值，此時立即切換至主用傳感器，反之切換到備用傳感器。當主用傳感器和輔助傳感器同時失電時，立即切換至備用傳感器。當備用傳感器和輔助傳感器同時失電時，立即切換至主用傳感器。當裝置停電時，默認接通主用傳感器。

（4）上述立即切換時間約為100 ms；兩個測量值相互誤差的絕對值小于5%為一致。

（5）CPU采用3取2的方式在主用傳感器或備用傳感器中選擇正確的輸出，輸出一路0～5 V信號至整流柜顯示輸入，輸出一路4～20 mA信號至DCS室輸入，再輸出一路0～5 V信號至整流柜控制用輸入。另切換裝置能夠提供干接點輸出功能，可用于其他控制功能。

4 裝置運行實測效果

通過控制信號切換箱面板上同時顯示的主用、備用和輔助傳感器的測量值，運行人員可以準確地掌握主用和備用傳感器的運行狀況。此整流柜控制信號切換裝置還設計有報警系統，能夠準確及時地將主用和備用傳感器的異常情況通過聲光報警告知相關人員。

2017年7月利用單臺整流系統停車的機會，對其加裝了整流柜控制信號切換裝置，并且在實際運行中300 A、500 A、700 A、1 000 A電流時進行了全方位的切換，發現整流控制系統無波動，DCS電流無波動，切換效果良好，實現了電流的無擾動切換。

自2018年10月起公司對其余整流裝置陸續開始改造，改造后運行效果良好，截至2019年年底，公司全部整流裝置完成安裝。整流柜控制信號切換裝置的研發成功，從根本上解決了因單臺直流傳感器故障導致故障停槽的問題。后續將通過整流器廠家將整流柜控制信號切換裝置運行報警接入整流監控后臺，方便更及時解決問題。