DCS开关量输入与就地设备接口问题分析

张 艳

华电淄博热电有限公司 山东 淄博 255054

0 引言

随着火力发电厂机组容量的不断扩大，对自动化控制系统的控制水平要求越来越高。大型分散控制系统在大容量火电机组中应用越来越普遍。“Distributed Control System”分散控制系统，简称DCS。我厂＃5机组为330MW火力发电机组，控制系统应用的是上海新华控制公司的XDPS－400e分散控制系统。

DCS系统的功能是采集工业生产过程中的各种模拟量和开关量信号，通过一定的数据分析和逻辑运算，产生控制信号，使工业生产过程稳定进行。在火力发机组中，DCS系统采集机组运行中的各种信息，经过逻辑分析和判断，输出控制信号，控制机组就地设备，使发电机组以稳定负荷安全经济运行。DCS的硬件设备由人机接口站、过程控制站、控制网络构成。其中过程控制站直接与就地设备进行信号传递。输入输出模件是DCS硬件设备的重要部分，属于过程控制级设备。输入输出模件简称为I／O模件。一般包括：模拟量输入模件、模拟量输出模件、开关量输入模件、开关量输出模件、脉冲量输入模件、特殊功能控制模件等。本文重点分析的是开关量输入模件与就地设备接口时应注意的问题。开关量输入简称为DI，开关量输入模件简称为DI模件。

1 开关量输入模件的工作原理

XDPS－400e控制系统的 I／O 模件中，DI模件包括DI输入卡件和DI输入端子板。两者之间用37芯预制电缆连接，用于对开关量信号的采集和处理。DI输入端子板是DI输入卡件的输入接口，就地设备的开关量信号直接与DI输入端子板接口。XDPS－400e控制系统中，DI输入端子板，简称为DI－TB。端子板共有32路DI通道，采样查询电压为直流24V或直流48V，＃5机组DCS系统采用直流48V。端子板正面有一个4芯插座，用来连接直流48V电流，背面有一个37芯电缆插座，用来连接DI输入卡件。通过表1、表2、图1可以分析出DI模件的工作原理。

表1 DI-TB端子示意表

表2 DI-TB端子定义

图1为DI－TB接线示意图，输入信号为就地无源干触点，a为输入端，b公共端（48V 负端）。a、b间查询电压为直流48V。当接点闭合时，相应通道信号显示为“1”，接点断开时，相应通道信号显示为“0”。

图1 DI-TB接线示意图

2 #5机组试运期间，DI输入显示故障典型缺陷分析

2.1 #5炉火检电源失电误报警分析

2.1.1 火检电源工作原理

“炉膛火焰丧失”触发主燃料跳闸（主燃料跳闸简称MFT）是火力发电机组锅炉侧主要保护动作条件之一。炉膛火焰丧失触发MFT，使锅炉跳闸，进而汽轮机和发电机跳闸。炉膛火焰的监测手段要求安全可靠，从而保证保护系统动作可靠，不发生误动和拒动情况。锅炉炉膛火焰目前应用火焰检测装置进行监测，火焰检测装置称为火检，其输出包括火焰强度、有火信号和无火信号。火检分为煤火检和油火检，分别用来检测煤燃烧火焰和油燃烧火焰。锅炉正常运行时，全部煤火检发出“无火信号”时，构成“炉膛火焰丧失”信号，触发MFT。因此火检要长期安全可靠运行。为避免因火检自身故障造成锅炉炉膛火焰丧失保护动作，火检系统电源采用双路电源供电，一路来自电厂厂用电回路，一路来自电气UPS电源。UPS为不间断电源。两路电源正常运行中相互冗余，保证火检系统的正常运行。如图2，＃5炉火检电源电气原理图。

图2 火检电源电气原理图

由图可见，火检电源双路A.C 220V电源输入，A、B两路均输出电源失电报警至DCS，接线端子：XT2－1、2，XT2－4、5。双路 DC24V 电源输出，冗余供电给火检，A、B两路D.C 24V电源均输出电源失电报警至 DCS，接线端子：XT2－7、8，XT2－10、11。 DCS设：火检交流电源A失电、火检交流电源 B失电、火检直流电源A失电、火检直流电源B失电四个报警。＃5机组试运初期，火检交流电源A失电、火检交流电源 B失电误发报警信号，经查，火检电源供电正常，未失电。A.C 220V电源A监视继电器K1、A.C 220V电源B监视继电器K2均带电，其常闭接点打开，结合图1：DI－TB接线示意图知，火检交流电源A失电、火检交流电源B失电信号应为“0”即无失电报警。

2.1.2 故障原因分析

后经检查，发现 XT2－1、2，XT2－4、5 端子牌处，除去DCS接线外，并接另两根线去硬光字牌报警接线端子。机组重要的报警信号即一级报警了除设软报警外，要设独立于DCS系统的硬光字牌报警。＃5炉采用的工艺信号闪光报警装置，可实现闪光报警和声音报警。其工作原理为：就地报警接点闭合，使报警装置相应报警回路接通，报警装置经过微处理器处理，通过输出单元，输出闪光及声音报警。报警装置给就地报警接点提供查询电压直流24V。如图3。

综上分析，可见，在火检电源柜端子牌XT2－1、2，XT2－4、5处分别并接了报警信号去机组工艺信号闪光报警装置，即硬光字牌实现电源丧失报警。就因为硬光字牌报警回路查询电压为DC24V，低于了DCS开关量输入信号的查询电压阀值，造成DCS开关量输入判断为就地接点闭合，致使DCS误发了火检交流电源A失电、火检交流电源B失电信号。

图3 工艺信号报警装置原理图

2.1.3 改进措施

原因查清后， 将 XT2－1、2，XT2－4、5 端子牌处去机组工艺信号闪光报警装置报警接线拆除，DCS报警信号消失，与火检电源系统实际工作情况一致。另外加装报警回路，利用报警继电器K1、K2的另一副常闭接点，通过新加装的端子牌，接到工艺信号闪光报警装置，分别实现火检交流电源A失电、火检交流电源B失电报警。

2.2 ＃5炉炉膛火焰电视系统误报警分析

2.2.1 火焰电视工作原理

我厂＃5炉火焰电视采用的是DZHJ－BJS型锅炉炉膛火焰电视监视系统。采用微气量保护方式，通过电动执行器将摄像探头伸入到高温炉膛内获取炉内图像，并将图像信号传输至监视器的特种工业电视系统。其系统功能包括：实时显示锅炉炉膛点火、燃烧及其他状态彩色／黑白清晰图像；摄像探头采用压缩空气冷却防护；摄像探头采用电动进、退控制；在集控室内或锅炉现场均可对系统进行操作，控制摄像探头进、退，调整光圈大、小；为保护探头安全，设计双重传感监测保护，当冷却用压缩空气压力低于设定值或高温光学镜头温度超过设定值时，摄像探头均能自动退出高温工作区，并以LED闪亮显示报警源；提供DCS系统控制接口

DZHJ－BJS气冷内窥式高温工业电视系统主要由前端设备、信号传输电缆、控制及显示三部分构成。前端设备包括：高温摄像探头（特种耐高温光学镜头、高分辨率CCD摄像机、特种耐高温、耐腐蚀保护套）、炉壁连接体、电动执行器、系统控制柜等；信号传输电缆包括：视频电缆、控制电缆、视频综合电缆；控制及显示包括：远操器、画面切换器、监视器。其中远操器是DZHJ－BJS气冷内窥式高温工业电视系统的操作控制设备，安装在集控室内。远操器可以实现摄像探头的进／退、镜头光圈的大小的控制功能，以及工作状态的显示、报警。正常情况下，揿动“进”键，电动执行器前进，摄像探头进入到高温工作区，到位后，“进”状态指示灯亮。揿动“退”键，电动执行器后退，摄像探头退出高温工作区，到位后，“退”状态指示灯亮。运行过程中，根据火焰监视图像的亮度情况，运行人员可以操作镜头光圈的“大”／“小”键，保证监视图像效果最佳。冷却气源压力不够或停气时，“停气”指示灯点亮，系统处于停气保护锁定状态，气源恢复后，报警自动解除。摄像探头内部温度超出设定的最高上限，“超温”指示灯点亮，系统处于保护超温锁定状态，温度正常后，报警自动解除。

DZHJ－BJS气冷内窥式高温工业电视系统的所有控制和状态显示可以在DCS系统中实现，为此，远操器提供和DCS系统的通讯控制接口 （DCS接口），远操器“DCS接口”电缆座引脚分配和原理参见图4。

图4 远操器DCS接口

2.2.2 故障原因分析

＃5机组试运期间，火焰电视运行正常，显示正常，气源正常，温度正常。但是DCS系统中火焰电视相关报警误报警，具体现象为：火焰电视退出后，执行器进到位、退到位信号均为“1”，火焰电视“停气”误报警、“超温”误报警。此时正常情况应该是火焰电视执行器显示退到位，其它三个信号均为“0”。

经过检查，由图4可见远操器提供的干接点信号“进到位”“退到位”“停气”“超温”信号存在一公共端。而由表1及表2知DI端子板的32个通道也存在一公共端，查询电压为直流48V，正端为通道输入端，负端为公共端。经过对线检查发现，远操器与DCS接口时，施工人员将火焰电视远操器输出报警指示公共端接入了DI端子板正端，远操器输出信号各输出端接入了DI端子板负端，参见图5。可见，当执行器退到位时，“退到位”接点闭合，DI端子板“退到位信号”通道形成直流48V回路，此通道置“1”，其它通道也通过此接点形成直流48V回路，通道置“1”，所以出现了上述误报警。

2.2.3 改进措施

找出问题根源后，我们将接线改成了火焰电视远操器输出报警指示公共端接入了DI端子板负端，远操器输出信号各输出端接入了DI端子板正端，参见图6。公共端统一后，误报警问题得以解决。

图5 火焰电视远操器与DCS错误接口示意图

图6 火焰电视远操器与DCS正确接口示意图

2.3 某执行机构状态显示故障分析

2.3.1 故障问题描述

＃5机组试运期间，炉侧定排系统一电动门出现状态指示错误问题。经检查，阀门DCS远方操作失败，画面显示阀门开、关状态均为“0”。就地操作阀门动作正常，阀门指示正常。

2.3.2 故障原因分析

经过测量阀门状态输出接点，阀门全开时，全开接点闭合，全关接点断开，阀门全关时，全开接点断开，全关接点闭合。阀门就地操作、反馈均正常。在阀门全开时，测量阀门状态输出接点两端电压发现，全关接点两端电压为直流48V，全开接点两端电压也为直流48V，而此时全开接点是闭合的，其两端电压应为直流0V才对，全开指示和全关指示的DI通道均未形成电压回路，所以均显示为“0”。后经过测量DI端子板，发现全开指示通道的负端出现故障，信号无法在直流48V正负端之间形成回路，所以即使阀门输出接点闭合，也不能将通道置“1”，DCS远方开门时，由于全开状态始终不能返回，所以超出设定设备行程时间后，发出操作失败信号，画面显示阀门处于中间状态。

2.3.3 改进措施

由表1及表2可知，DCS的DI端子板各输入通道的负端是公共端，所以将阀门全开指示通道的负端与全关指示通道的负端相连，使全开信号通道在阀门全开时，通过公共端形成回路，阀门指示全开，问题解决。

3 结论

综上问题分析，关于热工就地设备与DCS系统开关量输入设备的接口问题，可以得出以下结论：

3.1 DCS系统的开关量输入通道，要求就地设备提供无源干接点信号，接线时应注意避免接入有源信号，影响开关量输入的测量准确性。如同一就地设备需向DCS系统及其它第三方系统同时提供无源接点时，应分别采用不同的无源接点输出，避免DCS与第三方系统工作相互影响。

3.2 就地设备提供的一系列无源干接点信号若存在公共端时，应特别注意：在与DCS开关量输入接口时，应将公共端接到DCS开关量输入通道的公共端，即通道负端，否则这一系列的开关量输入测量将受到相互影响。

3.3 就地设备与DCS系统的开关量输入接线正确的前提下，若出现显示错误的情况，除检查就地设备无源接点的工作情况外，还应检查DCS系统开关量输入通道的查询电压是否正常，若通道出现问题，查询电压消失，开关量输入仍然会显示错误。