开关量在顺序控制与热工保护回路中的应用

孙纪伟，李 俊

（华能太仓发电有限责任公司，江苏 苏州 215424）

0 引言

随着DCS系统(分布式控制系统)在火电厂的广泛应用，由模拟量析出的开关量越来越多地应用于顺序控制与热工保护回路，热控测量装置也逐渐开始使用现场压力、差压、液位和温度等变送器替代现场的相应逻辑开关。这样既节约了逻辑开关和电缆的费用，又简化了DCS系统的硬件配置和外部接线回路，但同时也会在技术性能上对热工保护回路的响应时间和机组的安全运行产生影响。因此需考虑热工保护回路中由模拟量析出的开关量与逻辑开关的开关量的合理搭配问题。

1 概念定义

1.1 开关量

开关量主要指开入量和开出量，是指一个装置所带的辅助点，如变压器的温控器所带的继电器的辅助点(变压器超温后变位)、阀门凸轮开关所带的辅助点(阀门开关后变位)，接触器所带的辅助点(接触器动作后变位)、热继电器所带的辅助点(热继电器动作后变位)。这些点一般都传给PLC，DCS或综保装置，由PLC，DCS或综保装置提供电源，自己本身不带电源，因此称作无源接点，也称作PLC，DCS或综保装置的开入量。

1.2 数字量

在时间上和数量上都是离散的物理量称为数字量。表示数字量的信号即为数字信号，工作在数字信号下的电子电路即为数字电路。

例如：用电子电路记录从自动生产线上输出的零件数目时，每送出1个零件便给电子电路1个信号，使之记1，而没有零件送出时加给电子电路的信号是0，则未记数。由此可见，零件数目这个信号无论在时间上还是在数量上都是不连续的，只是一个数字信号，最小的数量单位就是1个。

1.3 模拟量

在时间上或数值上都是连续的物理量称为模拟量。表示模拟量的信号称为模拟信号，工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路。

例如：热电偶在工作时输出的电压信号就属于模拟信号，因为在任何情况下被测温度都不可能发生突跳，所以测得的电压信号无论在时间上还是在数量上都是连续的。而且，这个电压信号在连续变化过程中的任何一个取值都表示一个相应的温度。

1.4 转换原理

（1） 数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统，一般采用低通滤波即可实现。先将数字信号进行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信号，然后再进行低通滤波。根据信号与系统的理论，可将数字阶梯状信号看作理想冲激采样信号和矩形脉冲信号的卷积。由卷积定理可知，数字信号的频谱就是冲激采样信号的频谱与矩形脉冲频谱(即Sa函数)的乘积。这样，用Sa函数的倒数作为频谱特性补偿，由数字信号便可恢复为采样信号。由采样定理可知，采样信号的频谱经理想低通滤波后便可得到原来模拟信号的频谱。但由于尖锐的采样信号很难获得，因此，一般将这2次滤波(Sa函数和理想低通滤波)合并(级联)，且在真实的系统中只能近似完成。

(2)模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统，是一个滤波和采样保持和编码的过程。模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶梯形状信号，然后通过编码器，使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。

1.5 开关量控制

顺序控制与热工保护均属于开关量控制范畴，因此也称为热工开关量控制系统。顺序控制与热工保护系统的输入信号包含直接测量得到的开关量信号(开关量逻辑开关)以及由DCS系统内的模拟量信号转换来的开关量信号。

1.6 逻辑开关

逻辑开关是电厂机组热工保护回路最重要的测量传感一次环节，是电厂机组安全运行的保证。当逻辑开关测量到热力介质的参数超过报警联动值时，热工保护回路就会用声光报警提醒运行人员，同时联动相关设备，使热力介质的参数回归正常范围，保障机组安全运行。当逻辑开关测量到热力介质的参数超过保护动作值时，热工保护回路就会用声光报警提醒运行人员，同时联跳机组机、电、炉相关设备，使运行的发电机组能及时、安全停运，将发电机组的设备损伤减到最小。

2 逻辑开关的开关量与模拟量析出的开关量

传感器是将温度、压力、液位、物料、气体特性等非电物理量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成，主要用于将物理信号转换为电信号和位移信号。

模拟量析出的开关量是将变送器输出的标准电流电压信号(0～5 V直流电压或4～20 mA直流电流信号)通过DCS模拟量I/O通道直接采集，经DCS模拟量I/O通道的模数转换和处理器的数模转换后，在DCS显示模拟量与定值进行逻辑判断后析出的开关量信号。该开关量在此后顺序控制与热工保护逻辑中运算的效果与逻辑开关的开关量效果一致。但是经过之前的模数转换和数模转换均会产生较大的延迟，在DPU运算的后几个周期出现此开关量时 “模拟量析出的开关量”才起作用。而在快速控制系统中，若开关量不能在DPU中经过1个运算周期得出运算结果，就会因为时序紊乱而产生致命的逻辑错误。

逻辑开关是将传感器的位移信号直接放大，动作微动开关，通过DCS开关量I/O通道直接采集的开关量信号，在DCS的顺序控制与热工保护逻辑中直接运算，在DPU中经过1个运算周期就得出运算结果。其最大的优点就是快速、直接，也是至今不适合用模拟量析出的开关量来替代的原因。

2种开关量工作流程情况比较如下。

(1)模拟量析出的开关量：变速器→模拟量采集卡的模数转换→系统数模转换→模拟量显示→逻辑条件判断析出开关量→顺控(保护)逻辑运算→开关量输出卡→驱动现场设备。

(2)逻辑开关的开关量：逻辑开关→开关量采集卡→顺控(保护)逻辑运算→开关量输出卡→驱动现场设备。

若现场设备需要直接联动，则逻辑开关同时可输出2个开关量，一个去联动就地设备，另一个送顺控(保护)进行逻辑运算，这是模拟量析出的开关量无法做到的。

例如：在汽轮机的EH油系统中，由于EH油系统工作压力高达11～14 MPa，油箱的容量较主机润滑油箱要小得多，且EH油系统控制的汽轮机主汽门和调门是一个快速响应，故该系统的保护全部使用压力、液位和流量的逻辑开关，可及时响应，使保护快速动作。某汽轮机EH油泄漏，EH油的液位开关先于液位变送器发出低液位报警，并及时启动保护，保证在EH油系统瘫痪前将主汽门和调门全部关闭，保障了发电机组顺利停运。

3 逻辑开关的特点

逻辑开关最大的优点是简单有效、快速直接，其工作原理如图1所示。主要性能特点如下。

(1)动作值：被测参数上升(或下降)达到某一规定值时，开关量逻辑开关输出触点的状态发生改变，这个规定值称为动作值(阈值)。

(2)复原值：当被测参数返回到某一值复位时，该值称为复原值。

(3)切换差：动作值与复原值之间的差值。切换差不同于模拟测量中的误差，测量误差应越小越好，而切换差并不是越小越好。干扰信号大的场合，应选用切换差大的产品；干扰信号小的场合，应选用切换差小的产品。

(4)开关量逻辑开关触点的闭合或断开是在瞬间完成的，响应速度为毫秒级，具有继电器特性，因此可称为继电器，如压力继电器、温度继电器等，最适合现场系统需要保护快速响应的回路。

逻辑开关的主要品种有：压力开关、差压开关、流量开关、液位开关、温度开关等。

图1 逻辑开关工作原理示意

4 逻辑开关引进后的发展情况

我国于上世纪90年代初引进“逻辑开关”，并在设计规范中规定顺序控制和热工保护回路现场必须设计“逻辑开关”。但由于当时我国的设计人员对“逻辑开关”性能了解不够，故“逻辑开关”设计选型经常出现错误，尤其是错把介质的测量范围当成逻辑开关的设定范围来选型，从而给电厂自动控制人员留下 “逻辑开关还不如电接点仪表可靠”的误解。

2000年，“逻辑开关”应用趋于成熟，其种类愈来愈多，应用领域越来越广。但是还存在“逻辑开关”部分设计选型错误；“逻辑开关”国内外品牌繁多，质量良莠不齐；国外品牌的“逻辑开关”以低参数冒充高参数；国内仿制产品的材质不过关等现象，造成电力系统自动控制人员对“逻辑开关”的产品缺乏信心。

2010年后“逻辑开关”品牌大都确定，使用领域也已确定，并且新型的无源型“逻辑开关”也横空出世。电子压力开关是以高性能电子元器件为基础，以进口高精度压力敏感元件为测量元件，采用先进的数字电路把压力敏感元感应的电力信号转换成开关信号，具有准确度高、体积小，易操作、使用和安装等优点，直接向PLC，DCS和综保装置提供无源触点，利用开关量采集的访问电压工作，无需外供电源，已广泛应用于化工、机械、水文、电力等系统的压力控制和自动化过程控制系统中。

在电厂自动化程度越来越高的今天，为精简系统测点可以将模拟量析出开关量替代部分保护用的逻辑开关，如：变化缓慢的温度信号、高温高压的液位信号(逻辑开关无法完成测量的信号)。但对需要快速响应的保护信号，如压力、流量和液位开关量信号，应尽量使用响应快速的逻辑开关。