DCS開關(guān)量輸入與就地設(shè)備接口問題分析

張 艷

華電淄博熱電有限公司 山東 淄博 255054

0 引言

隨著火力發(fā)電廠機(jī)組容量的不斷擴(kuò)大，對自動化控制系統(tǒng)的控制水平要求越來越高。大型分散控制系統(tǒng)在大容量火電機(jī)組中應(yīng)用越來越普遍。“Distributed Control System”分散控制系統(tǒng)，簡稱DCS。我廠＃5機(jī)組為330MW火力發(fā)電機(jī)組，控制系統(tǒng)應(yīng)用的是上海新華控制公司的XDPS－400e分散控制系統(tǒng)。

DCS系統(tǒng)的功能是采集工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種模擬量和開關(guān)量信號，通過一定的數(shù)據(jù)分析和邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號，使工業(yè)生產(chǎn)過程穩(wěn)定進(jìn)行。在火力發(fā)機(jī)組中，DCS系統(tǒng)采集機(jī)組運(yùn)行中的各種信息，經(jīng)過邏輯分析和判斷，輸出控制信號，控制機(jī)組就地設(shè)備，使發(fā)電機(jī)組以穩(wěn)定負(fù)荷安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。DCS的硬件設(shè)備由人機(jī)接口站、過程控制站、控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中過程控制站直接與就地設(shè)備進(jìn)行信號傳遞。輸入輸出模件是DCS硬件設(shè)備的重要部分，屬于過程控制級設(shè)備。輸入輸出模件簡稱為I／O模件。一般包括：模擬量輸入模件、模擬量輸出模件、開關(guān)量輸入模件、開關(guān)量輸出模件、脈沖量輸入模件、特殊功能控制模件等。本文重點(diǎn)分析的是開關(guān)量輸入模件與就地設(shè)備接口時應(yīng)注意的問題。開關(guān)量輸入簡稱為DI，開關(guān)量輸入模件簡稱為DI模件。

1 開關(guān)量輸入模件的工作原理

XDPS－400e控制系統(tǒng)的 I／O 模件中，DI模件包括DI輸入卡件和DI輸入端子板。兩者之間用37芯預(yù)制電纜連接，用于對開關(guān)量信號的采集和處理。DI輸入端子板是DI輸入卡件的輸入接口，就地設(shè)備的開關(guān)量信號直接與DI輸入端子板接口。XDPS－400e控制系統(tǒng)中，DI輸入端子板，簡稱為DI－TB。端子板共有32路DI通道，采樣查詢電壓為直流24V或直流48V，＃5機(jī)組DCS系統(tǒng)采用直流48V。端子板正面有一個4芯插座，用來連接直流48V電流，背面有一個37芯電纜插座，用來連接DI輸入卡件。通過表1、表2、圖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端子定義

圖1為DI－TB接線示意圖，輸入信號為就地?zé)o源干觸點(diǎn)，a為輸入端，b公共端（48V 負(fù)端）。a、b間查詢電壓為直流48V。當(dāng)接點(diǎn)閉合時，相應(yīng)通道信號顯示為“1”，接點(diǎn)斷開時，相應(yīng)通道信號顯示為“0”。

圖1 DI-TB接線示意圖

2 #5機(jī)組試運(yùn)期間，DI輸入顯示故障典型缺陷分析

2.1 #5爐火檢電源失電誤報警分析

2.1.1 火檢電源工作原理

“爐膛火焰喪失”觸發(fā)主燃料跳閘（主燃料跳閘簡稱MFT）是火力發(fā)電機(jī)組鍋爐側(cè)主要保護(hù)動作條件之一。爐膛火焰喪失觸發(fā)MFT，使鍋爐跳閘，進(jìn)而汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)跳閘。爐膛火焰的監(jiān)測手段要求安全可靠，從而保證保護(hù)系統(tǒng)動作可靠，不發(fā)生誤動和拒動情況。鍋爐爐膛火焰目前應(yīng)用火焰檢測裝置進(jìn)行監(jiān)測，火焰檢測裝置稱為火檢，其輸出包括火焰強(qiáng)度、有火信號和無火信號?；饳z分為煤火檢和油火檢，分別用來檢測煤燃燒火焰和油燃燒火焰。鍋爐正常運(yùn)行時，全部煤火檢發(fā)出“無火信號”時，構(gòu)成“爐膛火焰喪失”信號，觸發(fā)MFT。因此火檢要長期安全可靠運(yùn)行。為避免因火檢自身故障造成鍋爐爐膛火焰喪失保護(hù)動作，火檢系統(tǒng)電源采用雙路電源供電，一路來自電廠廠用電回路，一路來自電氣UPS電源。UPS為不間斷電源。兩路電源正常運(yùn)行中相互冗余，保證火檢系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如圖2，＃5爐火檢電源電氣原理圖。

圖2 火檢電源電氣原理圖

由圖可見，火檢電源雙路A.C 220V電源輸入，A、B兩路均輸出電源失電報警至DCS，接線端子：XT2－1、2，XT2－4、5。雙路 DC24V 電源輸出，冗余供電給火檢，A、B兩路D.C 24V電源均輸出電源失電報警至 DCS，接線端子：XT2－7、8，XT2－10、11。 DCS設(shè)：火檢交流電源A失電、火檢交流電源 B失電、火檢直流電源A失電、火檢直流電源B失電四個報警。＃5機(jī)組試運(yùn)初期，火檢交流電源A失電、火檢交流電源 B失電誤發(fā)報警信號，經(jīng)查，火檢電源供電正常，未失電。A.C 220V電源A監(jiān)視繼電器K1、A.C 220V電源B監(jiān)視繼電器K2均帶電，其常閉接點(diǎn)打開，結(jié)合圖1：DI－TB接線示意圖知，火檢交流電源A失電、火檢交流電源B失電信號應(yīng)為“0”即無失電報警。

2.1.2 故障原因分析

后經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn) XT2－1、2，XT2－4、5 端子牌處，除去DCS接線外，并接另兩根線去硬光字牌報警接線端子。機(jī)組重要的報警信號即一級報警了除設(shè)軟報警外，要設(shè)獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的硬光字牌報警。＃5爐采用的工藝信號閃光報警裝置，可實(shí)現(xiàn)閃光報警和聲音報警。其工作原理為：就地報警接點(diǎn)閉合，使報警裝置相應(yīng)報警回路接通，報警裝置經(jīng)過微處理器處理，通過輸出單元，輸出閃光及聲音報警。報警裝置給就地報警接點(diǎn)提供查詢電壓直流24V。如圖3。

綜上分析，可見，在火檢電源柜端子牌XT2－1、2，XT2－4、5處分別并接了報警信號去機(jī)組工藝信號閃光報警裝置，即硬光字牌實(shí)現(xiàn)電源喪失報警。就因?yàn)橛补庾峙茍缶芈凡樵冸妷簽镈C24V，低于了DCS開關(guān)量輸入信號的查詢電壓閥值，造成DCS開關(guān)量輸入判斷為就地接點(diǎn)閉合，致使DCS誤發(fā)了火檢交流電源A失電、火檢交流電源B失電信號。

圖3 工藝信號報警裝置原理圖

2.1.3 改進(jìn)措施

原因查清后， 將 XT2－1、2，XT2－4、5 端子牌處去機(jī)組工藝信號閃光報警裝置報警接線拆除，DCS報警信號消失，與火檢電源系統(tǒng)實(shí)際工作情況一致。另外加裝報警回路，利用報警繼電器K1、K2的另一副常閉接點(diǎn)，通過新加裝的端子牌，接到工藝信號閃光報警裝置，分別實(shí)現(xiàn)火檢交流電源A失電、火檢交流電源B失電報警。

2.2 ＃5爐爐膛火焰電視系統(tǒng)誤報警分析

2.2.1 火焰電視工作原理

我廠＃5爐火焰電視采用的是DZHJ－BJS型鍋爐爐膛火焰電視監(jiān)視系統(tǒng)。采用微氣量保護(hù)方式，通過電動執(zhí)行器將攝像探頭伸入到高溫爐膛內(nèi)獲取爐內(nèi)圖像，并將圖像信號傳輸至監(jiān)視器的特種工業(yè)電視系統(tǒng)。其系統(tǒng)功能包括：實(shí)時顯示鍋爐爐膛點(diǎn)火、燃燒及其他狀態(tài)彩色／黑白清晰圖像；攝像探頭采用壓縮空氣冷卻防護(hù)；攝像探頭采用電動進(jìn)、退控制；在集控室內(nèi)或鍋爐現(xiàn)場均可對系統(tǒng)進(jìn)行操作，控制攝像探頭進(jìn)、退，調(diào)整光圈大、??；為保護(hù)探頭安全，設(shè)計(jì)雙重傳感監(jiān)測保護(hù)，當(dāng)冷卻用壓縮空氣壓力低于設(shè)定值或高溫光學(xué)鏡頭溫度超過設(shè)定值時，攝像探頭均能自動退出高溫工作區(qū)，并以LED閃亮顯示報警源；提供DCS系統(tǒng)控制接口

DZHJ－BJS氣冷內(nèi)窺式高溫工業(yè)電視系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、信號傳輸電纜、控制及顯示三部分構(gòu)成。前端設(shè)備包括：高溫?cái)z像探頭（特種耐高溫光學(xué)鏡頭、高分辨率CCD攝像機(jī)、特種耐高溫、耐腐蝕保護(hù)套）、爐壁連接體、電動執(zhí)行器、系統(tǒng)控制柜等；信號傳輸電纜包括：視頻電纜、控制電纜、視頻綜合電纜；控制及顯示包括：遠(yuǎn)操器、畫面切換器、監(jiān)視器。其中遠(yuǎn)操器是DZHJ－BJS氣冷內(nèi)窺式高溫工業(yè)電視系統(tǒng)的操作控制設(shè)備，安裝在集控室內(nèi)。遠(yuǎn)操器可以實(shí)現(xiàn)攝像探頭的進(jìn)／退、鏡頭光圈的大小的控制功能，以及工作狀態(tài)的顯示、報警。正常情況下，撳動“進(jìn)”鍵，電動執(zhí)行器前進(jìn)，攝像探頭進(jìn)入到高溫工作區(qū)，到位后，“進(jìn)”狀態(tài)指示燈亮。撳動“退”鍵，電動執(zhí)行器后退，攝像探頭退出高溫工作區(qū)，到位后，“退”狀態(tài)指示燈亮。運(yùn)行過程中，根據(jù)火焰監(jiān)視圖像的亮度情況，運(yùn)行人員可以操作鏡頭光圈的“大”／“小”鍵，保證監(jiān)視圖像效果最佳。冷卻氣源壓力不夠或停氣時，“停氣”指示燈點(diǎn)亮，系統(tǒng)處于停氣保護(hù)鎖定狀態(tài)，氣源恢復(fù)后，報警自動解除。攝像探頭內(nèi)部溫度超出設(shè)定的最高上限，“超溫”指示燈點(diǎn)亮，系統(tǒng)處于保護(hù)超溫鎖定狀態(tài)，溫度正常后，報警自動解除。

DZHJ－BJS氣冷內(nèi)窺式高溫工業(yè)電視系統(tǒng)的所有控制和狀態(tài)顯示可以在DCS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，為此，遠(yuǎn)操器提供和DCS系統(tǒng)的通訊控制接口 （DCS接口），遠(yuǎn)操器“DCS接口”電纜座引腳分配和原理參見圖4。

圖4 遠(yuǎn)操器DCS接口

2.2.2 故障原因分析

＃5機(jī)組試運(yùn)期間，火焰電視運(yùn)行正常，顯示正常，氣源正常，溫度正常。但是DCS系統(tǒng)中火焰電視相關(guān)報警誤報警，具體現(xiàn)象為：火焰電視退出后，執(zhí)行器進(jìn)到位、退到位信號均為“1”，火焰電視“停氣”誤報警、“超溫”誤報警。此時正常情況應(yīng)該是火焰電視執(zhí)行器顯示退到位，其它三個信號均為“0”。

經(jīng)過檢查，由圖4可見遠(yuǎn)操器提供的干接點(diǎn)信號“進(jìn)到位”“退到位”“停氣”“超溫”信號存在一公共端。而由表1及表2知DI端子板的32個通道也存在一公共端，查詢電壓為直流48V，正端為通道輸入端，負(fù)端為公共端。經(jīng)過對線檢查發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)操器與DCS接口時，施工人員將火焰電視遠(yuǎn)操器輸出報警指示公共端接入了DI端子板正端，遠(yuǎn)操器輸出信號各輸出端接入了DI端子板負(fù)端，參見圖5。可見，當(dāng)執(zhí)行器退到位時，“退到位”接點(diǎn)閉合，DI端子板“退到位信號”通道形成直流48V回路，此通道置“1”，其它通道也通過此接點(diǎn)形成直流48V回路，通道置“1”，所以出現(xiàn)了上述誤報警。

2.2.3 改進(jìn)措施

找出問題根源后，我們將接線改成了火焰電視遠(yuǎn)操器輸出報警指示公共端接入了DI端子板負(fù)端，遠(yuǎn)操器輸出信號各輸出端接入了DI端子板正端，參見圖6。公共端統(tǒng)一后，誤報警問題得以解決。

圖5 火焰電視遠(yuǎn)操器與DCS錯誤接口示意圖

圖6 火焰電視遠(yuǎn)操器與DCS正確接口示意圖

2.3 某執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)顯示故障分析

2.3.1 故障問題描述

＃5機(jī)組試運(yùn)期間，爐側(cè)定排系統(tǒng)一電動門出現(xiàn)狀態(tài)指示錯誤問題。經(jīng)檢查，閥門DCS遠(yuǎn)方操作失敗，畫面顯示閥門開、關(guān)狀態(tài)均為“0”。就地操作閥門動作正常，閥門指示正常。

2.3.2 故障原因分析

經(jīng)過測量閥門狀態(tài)輸出接點(diǎn)，閥門全開時，全開接點(diǎn)閉合，全關(guān)接點(diǎn)斷開，閥門全關(guān)時，全開接點(diǎn)斷開，全關(guān)接點(diǎn)閉合。閥門就地操作、反饋均正常。在閥門全開時，測量閥門狀態(tài)輸出接點(diǎn)兩端電壓發(fā)現(xiàn)，全關(guān)接點(diǎn)兩端電壓為直流48V，全開接點(diǎn)兩端電壓也為直流48V，而此時全開接點(diǎn)是閉合的，其兩端電壓應(yīng)為直流0V才對，全開指示和全關(guān)指示的DI通道均未形成電壓回路，所以均顯示為“0”。后經(jīng)過測量DI端子板，發(fā)現(xiàn)全開指示通道的負(fù)端出現(xiàn)故障，信號無法在直流48V正負(fù)端之間形成回路，所以即使閥門輸出接點(diǎn)閉合，也不能將通道置“1”，DCS遠(yuǎn)方開門時，由于全開狀態(tài)始終不能返回，所以超出設(shè)定設(shè)備行程時間后，發(fā)出操作失敗信號，畫面顯示閥門處于中間狀態(tài)。

2.3.3 改進(jìn)措施

由表1及表2可知，DCS的DI端子板各輸入通道的負(fù)端是公共端，所以將閥門全開指示通道的負(fù)端與全關(guān)指示通道的負(fù)端相連，使全開信號通道在閥門全開時，通過公共端形成回路，閥門指示全開，問題解決。

3 結(jié)論

綜上問題分析，關(guān)于熱工就地設(shè)備與DCS系統(tǒng)開關(guān)量輸入設(shè)備的接口問題，可以得出以下結(jié)論：

3.1 DCS系統(tǒng)的開關(guān)量輸入通道，要求就地設(shè)備提供無源干接點(diǎn)信號，接線時應(yīng)注意避免接入有源信號，影響開關(guān)量輸入的測量準(zhǔn)確性。如同一就地設(shè)備需向DCS系統(tǒng)及其它第三方系統(tǒng)同時提供無源接點(diǎn)時，應(yīng)分別采用不同的無源接點(diǎn)輸出，避免DCS與第三方系統(tǒng)工作相互影響。

3.2 就地設(shè)備提供的一系列無源干接點(diǎn)信號若存在公共端時，應(yīng)特別注意：在與DCS開關(guān)量輸入接口時，應(yīng)將公共端接到DCS開關(guān)量輸入通道的公共端，即通道負(fù)端，否則這一系列的開關(guān)量輸入測量將受到相互影響。

3.3 就地設(shè)備與DCS系統(tǒng)的開關(guān)量輸入接線正確的前提下，若出現(xiàn)顯示錯誤的情況，除檢查就地設(shè)備無源接點(diǎn)的工作情況外，還應(yīng)檢查DCS系統(tǒng)開關(guān)量輸入通道的查詢電壓是否正常，若通道出現(xiàn)問題，查詢電壓消失，開關(guān)量輸入仍然會顯示錯誤。