壓力開(kāi)關(guān)兩線制與智能一體化儀表的研究與應(yīng)用

吳鶴春，林 昇，賀江瑜，楊佰瑧，楊 昉，李 華，周立宏，蔣 榮，劉 潤(rùn)

（華能國(guó)際電力股份公司 工程部，北京 101102）

0 引言

熱工儀表按信號(hào)性質(zhì)分為模擬量和開(kāi)關(guān)量?jī)纱箢悾嗷ヒ蕾?。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)儀表[1]很快被兩線制變送器替代，兩線制變送器性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠。但機(jī)械式壓力開(kāi)關(guān)仍停留在軟膜彈簧微動(dòng)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)上，卡澀、漂移[2]現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且不能被監(jiān)控，如圖1 所示。

圖1 機(jī)械式壓力開(kāi)關(guān)，軟膜、彈簧、微動(dòng)開(kāi)關(guān)Fig.1 Mechanical pressure switches，diaphragm，spring, micro switch

圖2 DCS/PLC開(kāi)關(guān)量輸入DI原理Fig. 2 Principle DI DCS/PLC switch input

為了克服以上存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和研究，從理論上探明了開(kāi)關(guān)量?jī)删€制的基本原理，建立了兩線制供電與信號(hào)的分界規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了120uA 電子壓力開(kāi)關(guān)，突破了微功耗的開(kāi)關(guān)量?jī)删€制的瓶頸。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了160uA 智能壓力開(kāi)關(guān)和隔離型變送器的一體化儀表，并在上百個(gè)電廠獲得了成功應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)了壓力開(kāi)關(guān)的兩線制電子化和智能化的技術(shù)進(jìn)步。

本文從兩線制的原理出發(fā)，全面敘述了開(kāi)關(guān)量?jī)删€制的基理，微功耗核心技術(shù)，微功耗優(yōu)勢(shì)，電子開(kāi)關(guān)與機(jī)械式開(kāi)關(guān)的比較，兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)變送器一體化、一表多用的通用性能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多年應(yīng)用，效果明顯。

1 儀表的兩線制

1.1 兩線制

兩線制是儀表信號(hào)與電源共用兩根線，常見(jiàn)的如變送器，4mA 以下是給儀表供電，4mA ～20mA 是模擬信號(hào)。也簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)OOP POWER（信號(hào)回路供電）。

由于種種原因，開(kāi)關(guān)量沒(méi)有類似的規(guī)范，開(kāi)關(guān)量一直由軟膜驅(qū)動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其性能一直得不到提高，特別是卡澀、漂移，不可監(jiān)控的致命性弱點(diǎn)一直得不到改進(jìn)，致使自動(dòng)化水平特別是保護(hù)系統(tǒng)的可靠性得不到提高和改進(jìn)。

1.2 DCS/PLC開(kāi)關(guān)量輸入

DCS/PLC DI 如圖1 所示，由電源-限流電阻-光電隔離器-開(kāi)關(guān)-地完成回路，開(kāi)關(guān)信號(hào)線與DCS/PLC 輸入端DI 相連，DCS/PLC 輸入端DI 的電壓叫查詢電壓。

開(kāi)關(guān)動(dòng)作后引起光隔的二極管發(fā)光，三極管狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生邏輯“1”。

開(kāi)關(guān)不動(dòng)作時(shí)，輸入端查詢電壓為24V 或48V，電流接近零，光隔二極管不導(dǎo)通，三極管狀態(tài)不翻轉(zhuǎn)，輸出為邏輯“0”。

1.3 開(kāi)關(guān)量?jī)删€制

眾所周知，二極管PN 結(jié)的導(dǎo)通電流為300uA，如果電流小于200uA 時(shí)，二極管不會(huì)導(dǎo)通。據(jù)此，如果電子壓力開(kāi)關(guān)工作電流小于200uA 時(shí)，DI 輸入的光隔的二極管不會(huì)導(dǎo)通，也就不會(huì)發(fā)光，三極管不會(huì)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)壓力超過(guò)定值時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，光隔二極管導(dǎo)通發(fā)光，三極管翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生邏輯“1”。如果利用200uA 的電流保證儀表的正常工作，檢測(cè)壓力值并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止、控制DI 的光隔的導(dǎo)通與截止，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)和供電共用兩根線的開(kāi)關(guān)量?jī)删€制。

基于這個(gè)原理，利用200uA 為儀表供電，可以實(shí)現(xiàn)供電和信號(hào)共用的兩線制規(guī)范。

1.4 開(kāi)關(guān)量?jī)删€制的瓶頸

按照傳統(tǒng)儀表，傳感器供電電流為1mA ～2mA，儀表與單片機(jī)都會(huì)放大供電幾毫安不等。因此，開(kāi)關(guān)量?jī)删€制的根本難題在于使其工作電流小于200uA，幾乎是不可能的事情，所以沒(méi)有人去想，更沒(méi)有人去做。國(guó)內(nèi)外沒(méi)有任何研究可供借鑒，沒(méi)有教科書(shū)，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，從技術(shù)上說(shuō)是個(gè)空白，是長(zhǎng)期以來(lái)開(kāi)關(guān)量不能電子化的瓶頸。

2 兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)

2.1 兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)的研制

實(shí)現(xiàn)壓力開(kāi)關(guān)兩線制的關(guān)鍵是要保證整個(gè)儀表的功耗低于200uA，據(jù)此把總的功耗分配到各個(gè)模塊，其中傳感器模塊電流50uA，信號(hào)調(diào)理50uA，定值、電源、IGBT 合計(jì)20uA。

然后，根據(jù)功能要求和功耗對(duì)器件進(jìn)行篩選和定制，再把所選的器件組成的模塊進(jìn)行仿真試驗(yàn)，在仿真成功的基礎(chǔ)上集成到整機(jī)板上進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)幾百次的反復(fù)試驗(yàn)，2007 年終于完成了第1 臺(tái)120uA 微功耗電子壓力開(kāi)關(guān)的研制。

該產(chǎn)品的研制成功主要是發(fā)現(xiàn)了200uA 開(kāi)關(guān)量工作電流不引起DCS/PLC 誤動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，并用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)把產(chǎn)品研制成功，驗(yàn)證了這一標(biāo)準(zhǔn)的可行性，從而把開(kāi)關(guān)量的兩線制從理論分析落實(shí)到產(chǎn)品，變成了現(xiàn)實(shí)。

圖3 壓力開(kāi)關(guān)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of pressure switch

圖4 通遼勝發(fā)電廠爐膛壓力開(kāi)關(guān)Fig.4 Furnace pressure switch in Tongliao Sheng power plant

2.2 兩線制的特點(diǎn)

兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)應(yīng)用后優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)。主要如下：

1）可靠性高，不故障：兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)投入現(xiàn)場(chǎng)后，從2012 年開(kāi)始有幾千只業(yè)績(jī)，至今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自身原因?qū)е碌墓收?，誤動(dòng)率和拒動(dòng)率為零[13,14]。究其原因，一方面不銹鋼擴(kuò)散硅充油體工藝和質(zhì)量可靠；另一方面儀表電路功耗低，故障率極低[7]。

2）沒(méi)有自熱，不漂移：由于微功耗擴(kuò)散硅充油體傳感器工作電流只有50uA，傳感器沒(méi)有自熱，自熱引起的漂移基本為零，加上微功耗儀表放大器只有50uA，其它元器件20uA 沒(méi)有自熱引起的阻值變化、工作點(diǎn)漂移，儀表性能極其穩(wěn)定。如用戶通遼勝發(fā)電廠應(yīng)用爐膛壓力[6,17]，一年后校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)定值不變，兩年后再次校驗(yàn)，確認(rèn)開(kāi)關(guān)沒(méi)有漂移。

3）抗振抗擾，耐高溫

①抗振：兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)從不銹鋼傳感器到電路板沒(méi)有可活動(dòng)部件，相互制約，抗振性能好[9,12]。

②抗擾：抗干擾是保證產(chǎn)品可靠的基本要求，對(duì)微功耗產(chǎn)品尤為重要。不但在結(jié)構(gòu)上采用分倉(cāng)設(shè)計(jì)，在電路上采用大功率共模，保證EMC 符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[10,11]，1MHz ～80MHz 的干擾電壓達(dá)到了20V 沒(méi)有影響，比軍標(biāo)10V 高1 倍，因此應(yīng)用中未見(jiàn)產(chǎn)品受干擾發(fā)生誤動(dòng)。

③耐溫：根據(jù)核電40 年壽命測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，成功地進(jìn)行了一組20 只開(kāi)關(guān)的138℃10 天加速試驗(yàn)，無(wú)一故障，誤差不超標(biāo)。

4）精度高，速度快

①精度：0.5，為-10℃～80℃全程保證值[8]。

②速度：1ms 比機(jī)械式開(kāi)關(guān)速度快40ms[5]。

5）無(wú)條件替代機(jī)械式開(kāi)關(guān)

①電壓等級(jí)：采用大功率IGBT[4]，從24V AC/DC ～220V AC/DC 交流直流通用。

②兩線：和機(jī)械式開(kāi)關(guān)一樣，兩線不分極性，不需要作任何改動(dòng)。

圖5 兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Two-wire electronic pressure switch structure

2.3 兩線制壓力開(kāi)關(guān)硬件的可靠性

1） 結(jié)構(gòu)

從圖5 可見(jiàn)，兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)沒(méi)有可活動(dòng)部件。由于沒(méi)有彈簧、軟膜和微動(dòng)開(kāi)關(guān)部件，因而沒(méi)有機(jī)械卡澀和機(jī)械漂移。

2）傳感器

從圖6 可見(jiàn)，兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)傳感器采用擴(kuò)散硅充油體傳感器，不繡鋼波紋膜，位移小，具有阻尼和保護(hù)，因此不會(huì)引起老化和破裂等故障。

3 兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)變送器一體化儀表

3.1 兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)的研制

圖6 兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)傳感器Fig. 6 Two-wire electronic pressure switch sensor

圖7 兩線制智能數(shù)顯壓力開(kāi)關(guān)變送器一體化儀表Fig.7 Two-wire intelligent digital display pressure switch transmitter integrated instrument

兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)的廣泛應(yīng)用，用戶不斷提出監(jiān)控和免維護(hù)校驗(yàn)的要求，2016 年完成了兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)變送器一體化儀表的研制，受到了用戶的歡迎。

基于兩線制開(kāi)關(guān)200uA 的上限標(biāo)準(zhǔn)，各微功耗模塊電流分配；壓力傳感器（或熱電阻、熱電偶）功耗為50uA，儀表放大40uA，單片機(jī)MCU（A/D 轉(zhuǎn)換，輸出DO 驅(qū)動(dòng)IGBT[4]控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)）50uA、液晶顯示10uA，實(shí)際整機(jī)工作電流160uA。

為了保證遠(yuǎn)方監(jiān)控，同時(shí)提供D/A 輸出4mA ～20mA變送器輸出信號(hào)，并且為電源和信號(hào)完全隔離的變送器輸出。實(shí)現(xiàn)了兩線制數(shù)顯壓力開(kāi)關(guān)變送器一體化的新一代儀表，其原理如圖7 所示。

圖8 華能玉環(huán)、巣湖電廠爐膛壓力兩線制開(kāi)關(guān)Fig.8 Two-line switch of furnace pressure in Huaneng Yuhuan and Chaohu power plant

3 .2 兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)

兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)保留了兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)的基本特點(diǎn)，除功耗低、不漂移、無(wú)故障、精度高等優(yōu)勢(shì)外，還具有以下兩個(gè)智能化的特點(diǎn)：

1）可監(jiān)控、可預(yù)測(cè)。兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)能通過(guò)數(shù)顯展示壓力值，可設(shè)定動(dòng)作值、返回值、延時(shí)和常開(kāi)/常閉接點(diǎn)信號(hào)，可進(jìn)行五點(diǎn)標(biāo)定。壓力值的顯示提供了對(duì)測(cè)量系統(tǒng)正常與否的判斷。

如接線不良或斷線，顯示黑屏。如未接管或泄漏，壓力值為零；如堵管則壓力值不變。從這些信息完全可以判斷壓力開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)，為保護(hù)系統(tǒng)提供了可視、可查、可監(jiān)控、可預(yù)測(cè)的辦法，為電廠保護(hù)可靠性的提高提供了根本性的保證。

2）免校驗(yàn)、免維護(hù)。

①不校驗(yàn)：兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)的零位、量程在出廠時(shí)已標(biāo)定，所以定值、返回值在顯示屏上通過(guò)按鍵可直接設(shè)定[15,16]，大大減少了熱工人員的調(diào)試工作。

②免維護(hù)：一方面由于兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)具有零故障和不漂移的性能，具備免維護(hù)條件；另一方面從狀態(tài)檢修的辦法，利用常規(guī)的巡檢，對(duì)有異常的進(jìn)行維護(hù)。即便大修，就地加壓比對(duì)即可，避免了頻繁拆裝帶來(lái)的人力浪費(fèi)以及諸如機(jī)械式壓力開(kāi)關(guān)接線松動(dòng)或接觸不良、儀表管接頭泄漏等人為失誤引起的故障。

4 兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)的應(yīng)用

自2012 年兩線制電子壓力開(kāi)關(guān)投用以來(lái)已有幾千臺(tái)，擁有上百個(gè)電廠、化工廠、鋼鐵廠、水泵廠的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

1）電廠鍋爐：用于爐膛壓力的有華能玉環(huán)、巢湖電廠、白山電廠、通遼勝發(fā)等；用于磨煤機(jī)的有國(guó)電寶慶、華能左權(quán)、南通、岳陽(yáng)等廠；用于等離子系統(tǒng)的有華能海門(mén)、金陵電廠等；用于燃油系統(tǒng)的有華能南通、大連等。

2）電廠汽機(jī)：用于油系統(tǒng)的有華能北京熱電燃機(jī)交流油泵、華能德州小機(jī)掛閘油壓、丹東等電廠；用于濾網(wǎng)差壓的有華能德州、南通、石二、大連、丹東、岳陽(yáng)電廠、國(guó)電；用于真空或壓力的有華能包二、兩江燃機(jī)、辛店電廠、秦山核電站二期凝泵出口壓力等。

3）化工、鋼鐵：鋼高爐氧化風(fēng)機(jī)入口濾網(wǎng)差壓、索普化工集團(tuán)聯(lián)鎖保護(hù)，威?；ぁ颁?、本鋼等。

以上應(yīng)用，用戶反應(yīng)壓力開(kāi)關(guān)性能穩(wěn)定可靠，未發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

眾所周知，由于機(jī)械式壓力開(kāi)關(guān)的種種不良，很多場(chǎng)合采用變送器來(lái)替代壓力開(kāi)關(guān)。在壓力開(kāi)關(guān)性能沒(méi)有根本改變時(shí)，確實(shí)就是最好的辦法。但兩線制智能壓力開(kāi)關(guān)的出現(xiàn)，從根本上改變了機(jī)械式壓力開(kāi)關(guān)的不足，為控制系統(tǒng)提供了最合理、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、快速和抗干擾性良好的保護(hù)與控制元件，必將為保護(hù)系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)根本性的提高。

1）合理：避免了變送器A/D 輸入，D/A 輸出，避免了DCS 的D/A 多次轉(zhuǎn)換帶的累積延時(shí)和累積誤差。

2）簡(jiǎn)單：把物理量直接轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。

3）經(jīng)濟(jì)：DCS/PLC DI 開(kāi)關(guān)量要比AI 經(jīng)濟(jì)很多，其原因主要是開(kāi)關(guān)量沒(méi)有A/D 器件，加上模擬量電路要復(fù)雜，所以DI 造價(jià)要低很多。

4）速度：控制器的浮點(diǎn)運(yùn)算占用的時(shí)間、內(nèi)存要比開(kāi)關(guān)量多很多，特別是在汽機(jī)保護(hù)那種要求小于50ms 或更快的場(chǎng)合，更是非常關(guān)健（請(qǐng)注意：不要誤認(rèn)為臺(tái)式計(jì)算機(jī)速度很快，控制器就可以做到很快，實(shí)際上控制器往往要比臺(tái)式計(jì)算機(jī)落后近10 年，速度和內(nèi)存資源并不十分寬裕）。

5）抗干擾：從前可知，DCS/PLC 的DI 是采用光電隔離器來(lái)保證信號(hào)的可靠性的，但模擬量則仍沒(méi)有類似強(qiáng)大的隔離器件，一方面模擬量隔離器件昂貴，另一方面隔離電路復(fù)雜，所以采用開(kāi)關(guān)量的抗干擾能力要比模擬量更簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。

兩線制電子或智能壓力開(kāi)關(guān)是電子技術(shù)、傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，具備無(wú)條件替代機(jī)械式開(kāi)關(guān)的能力和優(yōu)勢(shì)，是變送器不可替代的同樣重要的儀表，一體化儀表的誕生為減少儀表種類，減少備品數(shù)量提供了有利的條件。

展望未來(lái)，在兩線制壓力（含差壓、溫度）開(kāi)關(guān)變送器一體化的基礎(chǔ)上，推廣到液位、料位、流量等儀表，全面實(shí)現(xiàn)兩線制必將為儀表發(fā)展帶來(lái)新的一代微功耗智能化產(chǎn)品，從而大大提高儀表的可靠性和穩(wěn)定性，真正邁向微功耗智能化的新時(shí)代。