孫紀(jì)偉，李 俊

（華能太倉發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215424）

0 引言

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

1 概念定義

1.1 開關(guān)量

開關(guān)量主要指開入量和開出量，是指一個(gè)裝置所帶的輔助點(diǎn)，如變壓器的溫控器所帶的繼電器的輔助點(diǎn)(變壓器超溫后變位)、閥門凸輪開關(guān)所帶的輔助點(diǎn)(閥門開關(guān)后變位)，接觸器所帶的輔助點(diǎn)(接觸器動(dòng)作后變位)、熱繼電器所帶的輔助點(diǎn)(熱繼電器動(dòng)作后變位)。這些點(diǎn)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(diǎn)，也稱作PLC，DCS或綜保裝置的開入量。

1.2 數(shù)字量

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

例如：用電子電路記錄從自動(dòng)生產(chǎn)線上輸出的零件數(shù)目時(shí)，每送出1個(gè)零件便給電子電路1個(gè)信號，使之記1，而沒有零件送出時(shí)加給電子電路的信號是0，則未記數(shù)。由此可見，零件數(shù)目這個(gè)信號無論在時(shí)間上還是在數(shù)量上都是不連續(xù)的，只是一個(gè)數(shù)字信號，最小的數(shù)量單位就是1個(gè)。

1.3 模擬量

在時(shí)間上或數(shù)值上都是連續(xù)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(shí)輸出的電壓信號就屬于模擬信號，因?yàn)樵谌魏吻闆r下被測溫度都不可能發(fā)生突跳，所以測得的電壓信號無論在時(shí)間上還是在數(shù)量上都是連續(xù)的。而且，這個(gè)電壓信號在連續(xù)變化過程中的任何一個(gè)取值都表示一個(gè)相應(yīng)的溫度。

1.4 轉(zhuǎn)換原理

（1） 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的系統(tǒng)，一般采用低通濾波即可實(shí)現(xiàn)。先將數(shù)字信號進(jìn)行解碼，即把數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電平，形成階梯狀信號，然后再進(jìn)行低通濾波。根據(jù)信號與系統(tǒng)的理論，可將數(shù)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(shù)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(shù))的乘積。這樣，用Sa函數(shù)的倒數(shù)作為頻譜特性補(bǔ)償，由數(shù)字信號便可恢復(fù)為采樣信號。由采樣定理可知，采樣信號的頻譜經(jīng)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(shù)和理想低通濾波)合并(級聯(lián))，且在真實(shí)的系統(tǒng)中只能近似完成。

(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的系統(tǒng)，是一個(gè)濾波和采樣保持和編碼的過程。模擬信號經(jīng)帶限濾波，采樣保持電路，變?yōu)殡A梯形狀信號，然后通過編碼器，使得階梯狀信號中的各個(gè)電平變?yōu)槎M(jìn)制碼。

1.5 開關(guān)量控制

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

1.6 邏輯開關(guān)

邏輯開關(guān)是電廠機(jī)組熱工保護(hù)回路最重要的測量傳感一次環(huán)節(jié)，是電廠機(jī)組安全運(yùn)行的保證。當(dāng)邏輯開關(guān)測量到熱力介質(zhì)的參數(shù)超過報(bào)警聯(lián)動(dòng)值時(shí)，熱工保護(hù)回路就會(huì)用聲光報(bào)警提醒運(yùn)行人員，同時(shí)聯(lián)動(dòng)相關(guān)設(shè)備，使熱力介質(zhì)的參數(shù)回歸正常范圍，保障機(jī)組安全運(yùn)行。當(dāng)邏輯開關(guān)測量到熱力介質(zhì)的參數(shù)超過保護(hù)動(dòng)作值時(shí)，熱工保護(hù)回路就會(huì)用聲光報(bào)警提醒運(yùn)行人員，同時(shí)聯(lián)跳機(jī)組機(jī)、電、爐相關(guān)設(shè)備，使運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組能及時(shí)、安全停運(yùn)，將發(fā)電機(jī)組的設(shè)備損傷減到最小。

2 邏輯開關(guān)的開關(guān)量與模擬量析出的開關(guān)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(guī)律轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換元件組成，主要用于將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號和位移信號。

模擬量析出的開關(guān)量是將變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)DCS模擬量I/O通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理器的數(shù)模轉(zhuǎn)換后，在DCS顯示模擬量與定值進(jìn)行邏輯判斷后析出的開關(guān)量信號。該開關(guān)量在此后順序控制與熱工保護(hù)邏輯中運(yùn)算的效果與邏輯開關(guān)的開關(guān)量效果一致。但是經(jīng)過之前的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換均會(huì)產(chǎn)生較大的延遲，在DPU運(yùn)算的后幾個(gè)周期出現(xiàn)此開關(guān)量時(shí) “模擬量析出的開關(guān)量”才起作用。而在快速控制系統(tǒng)中，若開關(guān)量不能在DPU中經(jīng)過1個(gè)運(yùn)算周期得出運(yùn)算結(jié)果，就會(huì)因?yàn)闀r(shí)序紊亂而產(chǎn)生致命的邏輯錯(cuò)誤。

邏輯開關(guān)是將傳感器的位移信號直接放大，動(dòng)作微動(dòng)開關(guān)，通過DCS開關(guān)量I/O通道直接采集的開關(guān)量信號，在DCS的順序控制與熱工保護(hù)邏輯中直接運(yùn)算，在DPU中經(jīng)過1個(gè)運(yùn)算周期就得出運(yùn)算結(jié)果。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是快速、直接，也是至今不適合用模擬量析出的開關(guān)量來替代的原因。

2種開關(guān)量工作流程情況比較如下。

(1)模擬量析出的開關(guān)量：變速器→模擬量采集卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換→系統(tǒng)數(shù)模轉(zhuǎn)換→模擬量顯示→邏輯條件判斷析出開關(guān)量→順控(保護(hù))邏輯運(yùn)算→開關(guān)量輸出卡→驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場設(shè)備。

(2)邏輯開關(guān)的開關(guān)量：邏輯開關(guān)→開關(guān)量采集卡→順控(保護(hù))邏輯運(yùn)算→開關(guān)量輸出卡→驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場設(shè)備。

若現(xiàn)場設(shè)備需要直接聯(lián)動(dòng)，則邏輯開關(guān)同時(shí)可輸出2個(gè)開關(guān)量，一個(gè)去聯(lián)動(dòng)就地設(shè)備，另一個(gè)送順控(保護(hù))進(jìn)行邏輯運(yùn)算，這是模擬量析出的開關(guān)量無法做到的。

例如：在汽輪機(jī)的EH油系統(tǒng)中，由于EH油系統(tǒng)工作壓力高達(dá)11～14 MPa，油箱的容量較主機(jī)潤滑油箱要小得多，且EH油系統(tǒng)控制的汽輪機(jī)主汽門和調(diào)門是一個(gè)快速響應(yīng)，故該系統(tǒng)的保護(hù)全部使用壓力、液位和流量的邏輯開關(guān)，可及時(shí)響應(yīng)，使保護(hù)快速動(dòng)作。某汽輪機(jī)EH油泄漏，EH油的液位開關(guān)先于液位變送器發(fā)出低液位報(bào)警，并及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)，保證在EH油系統(tǒng)癱瘓前將主汽門和調(diào)門全部關(guān)閉，保障了發(fā)電機(jī)組順利停運(yùn)。

3 邏輯開關(guān)的特點(diǎn)

邏輯開關(guān)最大的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)如下。

(1)動(dòng)作值：被測參數(shù)上升(或下降)達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)，開關(guān)量邏輯開關(guān)輸出觸點(diǎn)的狀態(tài)發(fā)生改變，這個(gè)規(guī)定值稱為動(dòng)作值(閾值)。

(2)復(fù)原值：當(dāng)被測參數(shù)返回到某一值復(fù)位時(shí)，該值稱為復(fù)原值。

(3)切換差：動(dòng)作值與復(fù)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(yīng)越小越好，而切換差并不是越小越好。干擾信號大的場合，應(yīng)選用切換差大的產(chǎn)品；干擾信號小的場合，應(yīng)選用切換差小的產(chǎn)品。

(4)開關(guān)量邏輯開關(guān)觸點(diǎn)的閉合或斷開是在瞬間完成的，響應(yīng)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(xiàn)場系統(tǒng)需要保護(hù)快速響應(yīng)的回路。

邏輯開關(guān)的主要品種有：壓力開關(guān)、差壓開關(guān)、流量開關(guān)、液位開關(guān)、溫度開關(guān)等。

圖1 邏輯開關(guān)工作原理示意

4 邏輯開關(guān)引進(jìn)后的發(fā)展情況

我國于上世紀(jì)90年代初引進(jìn)“邏輯開關(guān)”，并在設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定順序控制和熱工保護(hù)回路現(xiàn)場必須設(shè)計(jì)“邏輯開關(guān)”。但由于當(dāng)時(shí)我國的設(shè)計(jì)人員對“邏輯開關(guān)”性能了解不夠，故“邏輯開關(guān)”設(shè)計(jì)選型經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，尤其是錯(cuò)把介質(zhì)的測量范圍當(dāng)成邏輯開關(guān)的設(shè)定范圍來選型，從而給電廠自動(dòng)控制人員留下 “邏輯開關(guān)還不如電接點(diǎn)儀表可靠”的誤解。

2000年，“邏輯開關(guān)”應(yīng)用趨于成熟，其種類愈來愈多，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。但是還存在“邏輯開關(guān)”部分設(shè)計(jì)選型錯(cuò)誤；“邏輯開關(guān)”國內(nèi)外品牌繁多，質(zhì)量良莠不齊；國外品牌的“邏輯開關(guān)”以低參數(shù)冒充高參數(shù)；國內(nèi)仿制產(chǎn)品的材質(zhì)不過關(guān)等現(xiàn)象，造成電力系統(tǒng)自動(dòng)控制人員對“邏輯開關(guān)”的產(chǎn)品缺乏信心。

2010年后“邏輯開關(guān)”品牌大都確定，使用領(lǐng)域也已確定，并且新型的無源型“邏輯開關(guān)”也橫空出世。電子壓力開關(guān)是以高性能電子元器件為基礎(chǔ)，以進(jìn)口高精度壓力敏感元件為測量元件，采用先進(jìn)的數(shù)字電路把壓力敏感元感應(yīng)的電力信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，具有準(zhǔn)確度高、體積小，易操作、使用和安裝等優(yōu)點(diǎn)，直接向PLC，DCS和綜保裝置提供無源觸點(diǎn)，利用開關(guān)量采集的訪問電壓工作，無需外供電源，已廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、水文、電力等系統(tǒng)的壓力控制和自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)中。

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