仪电联锁信号中间继电器使用及分工探讨

龚达乐

(中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司,北京 100085)

中间继电器常用于继电保护与自动控制系统中,作为仪表过程控制系统与电气马达控制中心(MCC)之间的接口元件,起到转换电压、转换接电类型、增加触电容量、消除电路中的干扰、实现电气隔离等作用。

1 中间继电器

中间继电器是由固定铁芯、动铁芯、弹簧、动触点、静触点、线圈、接线端子和外壳组成。线圈通电,动铁芯在电磁力作用下动作吸合,带动动触点动作,使常闭触点断开,常开触点闭合;线圈断电,动铁芯在弹簧的作用下带动动触点复位[1]。

在不同的工业控制应用中,中间继电器的作用有所不同,常见的有以下几种:

1)转换电压。仪表控制系统的控制回路中直流电压为24 V,处于人体安全电压36 V以下,属于弱电系统,而电气侧二次控制回路的电压为交流220 V或者直流110 V,通过中间继电器,可以将直流与交流、高压与低压分开,便于以后的检维修并有利于操作维护安全。

2)转换接点类型。在电气二次控制回路中,可以将中间继电器与原来的接触器线圈并联,用中间继电器的常闭接点去控制相应的元件,实现有源信号到无源触点的转换。

3)增加触点容量。仪表控制系统I/O卡件的带载能力有限,由于中间继电器驱动所需要的电流很小,但外接电源可以使触点侧具有一定的带负载能力,因此可以用中间继电器来扩大所需触点容量控制其他负载,增加带载能力。

4)增加接点数量。在电气控制回路中,可以通过增加中间继电器,在不改变控制形式的情况下,增加接点数量,而且便于维修。

5)消除电路中的干扰,实现电气隔离。在工业过程控制或计算机控制回路中,虽然有各种各样的干扰抑制措施,但干扰现象还是或多或少地存在着,在内部加入中间继电器,可以达到消除电路中的干扰,实现电气隔离的目的[2]。

6)仪电联锁信号中间继电器的使用。油气行业中存在许多如泵、压缩机、搅拌器、风机等电机驱动的转动设备,加热器等电能转化的静设备。该类电气设备需要通过MCC实现电气控制,然而整个工厂的生产操作和过程控制是由操作员通过DCS,SIS,GDS等控制系统进行,各种控制系统与MCC需要进行信号传递,实现电力驱动的动、静设备控制的要求。中间继电器既可实现弱电信号的传输,还可实现强电用于控制动力输出的目的,实现强电与弱电的隔离,对提升仪表弱电侧的安全和系统的可靠性方面都是值得推荐的。

2 典型案例

2.1 中间继电器柜的划分

对于大型油气行业项目,存在大量电驱转动设备和静设备,仪表电气控制信号接口多,通常专门设置中间继电器柜(IRP)用于仪电联锁信号的隔离,IRP用于安装所有电气控制回路、仪表控制回路接口的继电器以及对应的接线端子和内部连接线。在项目设计阶段,一般将IRP划归电气专业范围,由电气专业技术人员主导设计要求以及资料审查,仪表专业协同电气专业。以电气专业思路为主设计的IRP,按照电气控制回路/电气控制柜划分接线端子排。

每一个控制回路的接口信号包括: ESD紧急停车,DCS启动,DCS紧急停状态,电机运行停止状态,电机故障状态,电机可用状态等,根据对特定电驱设备的控制要求选择需要的信号由DCS,ESD远程控制。

按照电气控制回路划分接线端子排,由于电气侧低压电机的二次控制回路为交流220 V,仪表侧控制回路为直流24 V,会造成不同电压等级的接线端子处在同一端子排上,不同电压等级的线缆在同一汇线槽内敷设,难以达到隔离不同电压等级和防止窜线的安全要求。

2.2 仪电联锁信号隔离

对于现场一些典型标准化成套动设备,以仪表风撬为例,撬内包括标配的就地压缩机控制盘,压缩机额定功率为450 kW,额定电压为110 kV,制造厂商标配就地控制盘内置逻辑控制器对压缩机进行启停保护等控制,该就地控制盘与电气中压控制柜有5个接口,信号如下:

1)开机触点信号。由压缩机输给中压控制柜,触点容量为220 V/2A。开机时由压缩机输出1个闭合的高电平脉冲信号,最长可持续3 s。

2)停机触点信号。由压缩机输给中压控制柜,触点容量为220 V/2A。停机时由压缩机输出1个断开的低电平脉冲信号,最长可持续3 s。

3)中压柜二次分闸信号。由压缩机输给中压控制柜,触点容量为220 V/2A。压缩机出现停机故障时输出1个持续信号,压缩机无故障时常闭,压缩机故障时常开。该信号不能接入中压控制柜的常规分闸回路,应接入中压控制柜故障分闸控制回路。

4)运行反馈控制触点信号。由中压控制柜输给压缩机,要求为无源触点。即中压控制柜合闸,输出闭合信号,中压控制柜分闸则该信号断开。

5)综合故障信号。由中压控制柜输给压缩机,要求为无源触点。中压控制柜如果有电流、欠电压等故障时,输出断开信号,无故障时该触点常闭。

其中,信号1),2),3)为压缩机控制柜内的干触点,变电所内中压控制柜回路电压为直流110 V;信号4),5)为变电所内中压控制柜的干触点,回路由压缩机控制盘供电。由于未考虑就地控制盘内低压控制信号与仪表24 V直流信号的隔离措施,并且将从低压控制盘引出的干触点直接接入就地控制盘逻辑控制器数字量输入通道,因此存在变电所中压控制柜内的低压控制信号直接引入压缩机就地控制器输入通道的问题,会造成超压损坏通道甚至控制器的风险。

同时,由于上述5个中压控制柜与压缩机就地控制盘之间的接口信号,分别属于直流110 V和直流24 V两个电压等级,分属仪表和电气两个专业范围,容易导致专业责任范围划分不清楚,电缆规格和电缆路径在设计过程中都存在不一致的情况[3]。

2.3 成套设备现场机柜室继电器的应用

在工程建设项目中存在一些成套撬装装置,成套设备控制系统(UCP)采用PLC控制,位于现场机柜室(FAR)中,并由制造厂商负责设计、供货、安装和调试[4]。在撬装装置UCP侧所有开关量输出信号都考虑了继电器,而对于电机控制信号,同样要求经过IRP盘柜,再与MCC联锁,造成多个继电器串联输出和回路中元器件功能重复的情况,同时增加了回路中的故障点[5]。该类典型的DCS开关量输出回路如图1所示。

图1 典型的DCS开关量输出回路示意

3 仪电联锁信号中间继电器合理使用及分工

根据上述实际项目中出现的问题,总结经验,采用以下专业划分以及设置原则,以期有利于工程设计的顺利实施和工程项目的电气安全。仪电联锁信号中间继电器合理使用及分工如图2所示。

图2 仪电联锁信号中间继电器合理使用及分工示意

3.1 中间继电器柜的专业划分

IRP作为电气专业二次控制回路与仪表专业控制回路的隔离接口,主要目的为保护仪表控制系统的安全,防止电气控制回路的220 V交流和110 V直流电压串入仪表直流24 V控制回路中,损坏控制器、卡件等控制系统元器件,并且使仪表侧系统机柜内直流电压低于人体安全电压,保障操作人员人身的安全。因此,实际工程项目设计执行过程中,电气设备与仪表设备混合安装在共用机柜时,应以双方设备数量多少以及操作重要性的原则确定主设方和辅设方[6],将IRP主设方规定为仪表专业,IRP的作用主要为隔离保证仪表侧的安全,仪表专业能够明确要求对IRP接线端子和电缆汇线的分区要求,划归仪表专业则可以最大程度地达到隔离保护仪表侧信号安全的目的[7]。

3.2 成套设备就地控制盘与电气控制柜联锁界面划分

近几年,油气行业都在大力推行“五化”建设,即标准化设计,工厂化预制、模块化施工、机械化作业、信息化管理[8]。大型油气工程建设项目有许多成套撬装设备,其中UCP小型控制系统设在就地控制盘中实现撬内控制功能,由工厂配电所的电气控制柜对其内部大功率电机、泵等动设备供电并进行电气保护控制,因此会存在电气中、低压控制柜联锁界面。由于就地控制盘直接位于现场撬块内,若要求统一经过FAR内IRP进行接口信号隔离转换,则需要设计额外的电缆路由,造成IRP接口信号过于复杂。

因此,对于该类成套撬装控制盘,建议由设计院统一对就地控制盘与电气中、低压控制柜的联锁信号隔离提出要求,要求在就地控制盘内隔离出一个中间继电器区域,作为与电气MCC接口信号的隔离转换继电器/隔离器以及对应接线端子的安装接线区域,并增加相应警示保护盖,对于与电气MCC接口的DI,DO信号统一要求经过隔离继电器,防止电气控制柜中的高电压信号窜入就地控制盘损坏卡件或者控制器,同时由于继电器对24 V回路信号具有隔离和电压转换的作用,也清晰地划分了该类信号电缆的归属为电气专业,规格和路由由电气专业统一考虑,专业划分原则可参照小型电机MCC集成于撬内的情况。

3.3 成套设备机柜间控制盘与电气控制柜联锁界面划分

同样,对于一些复杂的大型撬装设备,会将UCP放置于FAR内,并根据需要在UCP盘柜或者控制室内设置操作站。

对于第三方控制盘处于FAR中的情况,和工业控制系统一样需通过专门的IRP进行机泵控制联锁信号传输,不需要新增电缆路由,不单独在UCP侧要求配置隔离继电器,精简了回路中的电子元器件[9]。对于雷暴频发的特殊地区,有防雷需求的,DO信号采用继电器进行隔离的同时需采取雷电防护措施,防止雷电直接损坏卡件,并需要控制器DO信号驱动大功率负荷,直接用卡件输出无法驱动的情况则需另外考虑[10]。

4 结束语

中间继电器广泛应用于仪表专业与电气专业控制联锁信号的接口,但对专业划分以及设置的原则,各个设计院与项目的要求并未统一,本文通过分析总结几个项目执行过程中实际的案例,按照仪表DCS/ESD控制系统、第三方成套设备就地控制盘,第三方成套设备机柜间控制盘三种情况分别讨论与电气控制柜接口控制联锁中间继电器的使用以及划分原则,拟在为今后工程建设项目中面对同类问题提供一定的参考价值。