儀電聯鎖信號中間繼電器使用及分工探討

龔達樂

(中國石油工程建設有限公司 北京設計分公司,北京 100085)

中間繼電器常用于繼電保護與自動控制系統中,作為儀表過程控制系統與電氣馬達控制中心(MCC)之間的接口元件,起到轉換電壓、轉換接電類型、增加觸電容量、消除電路中的干擾、實現電氣隔離等作用。

1 中間繼電器

中間繼電器是由固定鐵芯、動鐵芯、彈簧、動觸點、靜觸點、線圈、接線端子和外殼組成。線圈通電,動鐵芯在電磁力作用下動作吸合,帶動動觸點動作,使常閉觸點斷開,常開觸點閉合;線圈斷電,動鐵芯在彈簧的作用下帶動動觸點復位[1]。

在不同的工業控制應用中,中間繼電器的作用有所不同,常見的有以下幾種:

1)轉換電壓。儀表控制系統的控制回路中直流電壓為24 V,處于人體安全電壓36 V以下,屬于弱電系統,而電氣側二次控制回路的電壓為交流220 V或者直流110 V,通過中間繼電器,可以將直流與交流、高壓與低壓分開,便于以后的檢維修并有利于操作維護安全。

2)轉換接點類型。在電氣二次控制回路中,可以將中間繼電器與原來的接觸器線圈并聯,用中間繼電器的常閉接點去控制相應的元件,實現有源信號到無源觸點的轉換。

3)增加觸點容量。儀表控制系統I/O卡件的帶載能力有限,由于中間繼電器驅動所需要的電流很小,但外接電源可以使觸點側具有一定的帶負載能力,因此可以用中間繼電器來擴大所需觸點容量控制其他負載,增加帶載能力。

4)增加接點數量。在電氣控制回路中,可以通過增加中間繼電器,在不改變控制形式的情況下,增加接點數量,而且便于維修。

5)消除電路中的干擾,實現電氣隔離。在工業過程控制或計算機控制回路中,雖然有各種各樣的干擾抑制措施,但干擾現象還是或多或少地存在著,在內部加入中間繼電器,可以達到消除電路中的干擾,實現電氣隔離的目的[2]。

6)儀電聯鎖信號中間繼電器的使用。油氣行業中存在許多如泵、壓縮機、攪拌器、風機等電機驅動的轉動設備,加熱器等電能轉化的靜設備。該類電氣設備需要通過MCC實現電氣控制,然而整個工廠的生產操作和過程控制是由操作員通過DCS,SIS,GDS等控制系統進行,各種控制系統與MCC需要進行信號傳遞,實現電力驅動的動、靜設備控制的要求。中間繼電器既可實現弱電信號的傳輸,還可實現強電用于控制動力輸出的目的,實現強電與弱電的隔離,對提升儀表弱電側的安全和系統的可靠性方面都是值得推薦的。

2 典型案例

2.1 中間繼電器柜的劃分

對于大型油氣行業項目,存在大量電驅轉動設備和靜設備,儀表電氣控制信號接口多,通常專門設置中間繼電器柜(IRP)用于儀電聯鎖信號的隔離,IRP用于安裝所有電氣控制回路、儀表控制回路接口的繼電器以及對應的接線端子和內部連接線。在項目設計階段,一般將IRP劃歸電氣專業范圍,由電氣專業技術人員主導設計要求以及資料審查,儀表專業協同電氣專業。以電氣專業思路為主設計的IRP,按照電氣控制回路/電氣控制柜劃分接線端子排。

每一個控制回路的接口信號包括: ESD緊急停車,DCS啟動,DCS緊急停狀態,電機運行停止狀態,電機故障狀態,電機可用狀態等,根據對特定電驅設備的控制要求選擇需要的信號由DCS,ESD遠程控制。

按照電氣控制回路劃分接線端子排,由于電氣側低壓電機的二次控制回路為交流220 V,儀表側控制回路為直流24 V,會造成不同電壓等級的接線端子處在同一端子排上,不同電壓等級的線纜在同一匯線槽內敷設,難以達到隔離不同電壓等級和防止竄線的安全要求。

2.2 儀電聯鎖信號隔離

對于現場一些典型標準化成套動設備,以儀表風撬為例,撬內包括標配的就地壓縮機控制盤,壓縮機額定功率為450 kW,額定電壓為110 kV,制造廠商標配就地控制盤內置邏輯控制器對壓縮機進行啟停保護等控制,該就地控制盤與電氣中壓控制柜有5個接口,信號如下:

1)開機觸點信號。由壓縮機輸給中壓控制柜,觸點容量為220 V/2A。開機時由壓縮機輸出1個閉合的高電平脈沖信號,最長可持續3 s。

2)停機觸點信號。由壓縮機輸給中壓控制柜,觸點容量為220 V/2A。停機時由壓縮機輸出1個斷開的低電平脈沖信號,最長可持續3 s。

3)中壓柜二次分閘信號。由壓縮機輸給中壓控制柜,觸點容量為220 V/2A。壓縮機出現停機故障時輸出1個持續信號,壓縮機無故障時常閉,壓縮機故障時常開。該信號不能接入中壓控制柜的常規分閘回路,應接入中壓控制柜故障分閘控制回路。

4)運行反饋控制觸點信號。由中壓控制柜輸給壓縮機,要求為無源觸點。即中壓控制柜合閘,輸出閉合信號,中壓控制柜分閘則該信號斷開。

5)綜合故障信號。由中壓控制柜輸給壓縮機,要求為無源觸點。中壓控制柜如果有電流、欠電壓等故障時,輸出斷開信號,無故障時該觸點常閉。

其中,信號1),2),3)為壓縮機控制柜內的干觸點,變電所內中壓控制柜回路電壓為直流110 V;信號4),5)為變電所內中壓控制柜的干觸點,回路由壓縮機控制盤供電。由于未考慮就地控制盤內低壓控制信號與儀表24 V直流信號的隔離措施,并且將從低壓控制盤引出的干觸點直接接入就地控制盤邏輯控制器數字量輸入通道,因此存在變電所中壓控制柜內的低壓控制信號直接引入壓縮機就地控制器輸入通道的問題,會造成超壓損壞通道甚至控制器的風險。

同時,由于上述5個中壓控制柜與壓縮機就地控制盤之間的接口信號,分別屬于直流110 V和直流24 V兩個電壓等級,分屬儀表和電氣兩個專業范圍,容易導致專業責任范圍劃分不清楚,電纜規格和電纜路徑在設計過程中都存在不一致的情況[3]。

2.3 成套設備現場機柜室繼電器的應用

在工程建設項目中存在一些成套撬裝裝置,成套設備控制系統(UCP)采用PLC控制,位于現場機柜室(FAR)中,并由制造廠商負責設計、供貨、安裝和調試[4]。在撬裝裝置UCP側所有開關量輸出信號都考慮了繼電器,而對于電機控制信號,同樣要求經過IRP盤柜,再與MCC聯鎖,造成多個繼電器串聯輸出和回路中元器件功能重復的情況,同時增加了回路中的故障點[5]。該類典型的DCS開關量輸出回路如圖1所示。

圖1 典型的DCS開關量輸出回路示意

3 儀電聯鎖信號中間繼電器合理使用及分工

根據上述實際項目中出現的問題,總結經驗,采用以下專業劃分以及設置原則,以期有利于工程設計的順利實施和工程項目的電氣安全。儀電聯鎖信號中間繼電器合理使用及分工如圖2所示。

圖2 儀電聯鎖信號中間繼電器合理使用及分工示意

3.1 中間繼電器柜的專業劃分

IRP作為電氣專業二次控制回路與儀表專業控制回路的隔離接口,主要目的為保護儀表控制系統的安全,防止電氣控制回路的220 V交流和110 V直流電壓串入儀表直流24 V控制回路中,損壞控制器、卡件等控制系統元器件,并且使儀表側系統機柜內直流電壓低于人體安全電壓,保障操作人員人身的安全。因此,實際工程項目設計執行過程中,電氣設備與儀表設備混合安裝在共用機柜時,應以雙方設備數量多少以及操作重要性的原則確定主設方和輔設方[6],將IRP主設方規定為儀表專業,IRP的作用主要為隔離保證儀表側的安全,儀表專業能夠明確要求對IRP接線端子和電纜匯線的分區要求,劃歸儀表專業則可以最大程度地達到隔離保護儀表側信號安全的目的[7]。

3.2 成套設備就地控制盤與電氣控制柜聯鎖界面劃分

近幾年,油氣行業都在大力推行“五化”建設,即標準化設計,工廠化預制、模塊化施工、機械化作業、信息化管理[8]。大型油氣工程建設項目有許多成套撬裝設備,其中UCP小型控制系統設在就地控制盤中實現撬內控制功能,由工廠配電所的電氣控制柜對其內部大功率電機、泵等動設備供電并進行電氣保護控制,因此會存在電氣中、低壓控制柜聯鎖界面。由于就地控制盤直接位于現場撬塊內,若要求統一經過FAR內IRP進行接口信號隔離轉換,則需要設計額外的電纜路由,造成IRP接口信號過于復雜。

因此,對于該類成套撬裝控制盤,建議由設計院統一對就地控制盤與電氣中、低壓控制柜的聯鎖信號隔離提出要求,要求在就地控制盤內隔離出一個中間繼電器區域,作為與電氣MCC接口信號的隔離轉換繼電器/隔離器以及對應接線端子的安裝接線區域,并增加相應警示保護蓋,對于與電氣MCC接口的DI,DO信號統一要求經過隔離繼電器,防止電氣控制柜中的高電壓信號竄入就地控制盤損壞卡件或者控制器,同時由于繼電器對24 V回路信號具有隔離和電壓轉換的作用,也清晰地劃分了該類信號電纜的歸屬為電氣專業,規格和路由由電氣專業統一考慮,專業劃分原則可參照小型電機MCC集成于撬內的情況。

3.3 成套設備機柜間控制盤與電氣控制柜聯鎖界面劃分

同樣,對于一些復雜的大型撬裝設備,會將UCP放置于FAR內,并根據需要在UCP盤柜或者控制室內設置操作站。

對于第三方控制盤處于FAR中的情況,和工業控制系統一樣需通過專門的IRP進行機泵控制聯鎖信號傳輸,不需要新增電纜路由,不單獨在UCP側要求配置隔離繼電器,精簡了回路中的電子元器件[9]。對于雷暴頻發的特殊地區,有防雷需求的,DO信號采用繼電器進行隔離的同時需采取雷電防護措施,防止雷電直接損壞卡件,并需要控制器DO信號驅動大功率負荷,直接用卡件輸出無法驅動的情況則需另外考慮[10]。

4 結束語

中間繼電器廣泛應用于儀表專業與電氣專業控制聯鎖信號的接口,但對專業劃分以及設置的原則,各個設計院與項目的要求并未統一,本文通過分析總結幾個項目執行過程中實際的案例,按照儀表DCS/ESD控制系統、第三方成套設備就地控制盤,第三方成套設備機柜間控制盤三種情況分別討論與電氣控制柜接口控制聯鎖中間繼電器的使用以及劃分原則,擬在為今后工程建設項目中面對同類問題提供一定的參考價值。