0 引言

熱工儀表按信號性質(zhì)分為模擬量和開關(guān)量兩大類，相互依賴。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動儀表 [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。但機械式壓力開關(guān)仍停留在軟膜彈簧微動開關(guān)的結(jié)構(gòu)上，卡澀、漂移 [2] 現(xiàn)象時有發(fā)生，并且不能被監(jiān)控，如圖 1 所示。為了克服以上存在的問題，經(jīng)過反復(fù)的試驗和研究，從理論上探明了開關(guān)量兩線制的基本原理，建立了兩線制供電與信號的分界規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。在技術(shù)上實現(xiàn)了 120uA 電子壓力開關(guān)，突破了微功耗的開關(guān)量兩線制的瓶頸。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了 160uA 智能壓力開關(guān)和隔離型變送器的一體化儀表，并在上百個電廠獲得了成功應(yīng)用，真正實現(xiàn)了壓力開關(guān)的兩線制電子化和智能化的技術(shù)進步。

本文從兩線制的原理出發(fā)，全面敘述了開關(guān)量兩線制的基理，微功耗核心技術(shù)，微功耗優(yōu)勢，電子開關(guān)與機械式開關(guān)的比較，兩線制智能壓力開關(guān)、開關(guān)變送器一體化、一表多用的通用性能。經(jīng)現(xiàn)場多年應(yīng)用，效果明顯。

 

1 儀表的兩線制

1.1 兩線制

兩線制是儀表信號與電源共用兩根線，常見的如變送器，4mA 以下是給儀表供電，4mA ～ 20mA 是模擬信號。也簡稱為 LOOP POWER（信號回路供電）。

 

由于種種原因，開關(guān)量沒有類似的規(guī)范，開關(guān)量一直由軟膜驅(qū)動微動開關(guān)的機械式開關(guān)來實現(xiàn)，其性能一直得不到提高，特別是卡澀、漂移，不可監(jiān)控的致命性弱點一直得不到改進，致使自動化水平特別是保護系統(tǒng)的可靠性得不到提高和改進。

 

1.2 DCS/PLC開關(guān)量輸入

DCS/PLC DI 如圖 1 所示，由電源 - 限流電阻 - 光電隔離器 - 開關(guān) - 地完成回路，開關(guān)信號線與 DCS/PLC 輸入端DI 相連，DCS/PLC 輸入端 DI 的電壓叫查詢電壓。開關(guān)動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”。開關(guān)不動作時，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 開關(guān)量兩線制

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，二極管不會導(dǎo)通。據(jù)此，如果電子壓力開關(guān)工作電流小于 200uA 時，DI 輸入的光隔的二極管不會導(dǎo)通，也就不會發(fā)光，三極管不會翻轉(zhuǎn)。當(dāng)壓力超過定值時，壓力開關(guān)動作后，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，檢測壓力值并進行邏輯運算，控制開關(guān)導(dǎo)通與截止、控制 DI 的光隔的導(dǎo)通與截止，從而實現(xiàn)信號和供電共用兩根線的開關(guān)量兩線制。

 

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

 

1.4 開關(guān)量兩線制的瓶頸

按照傳統(tǒng)儀表，傳感器供電電流為 1mA ～ 2mA，儀表與單片機都會放大供電幾毫安不等。因此，開關(guān)量兩線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，所以沒有人去想，更沒有人去做。國內(nèi)外沒有任何研究可供借鑒，沒有教科書，沒有標(biāo)準(zhǔn)，從技術(shù)上說是個空白，是長期以來開關(guān)量不能電子化的瓶頸。

 

2 兩線制電子壓力開關(guān)

2.1 兩線制電子壓力開關(guān)的研制

實現(xiàn)壓力開關(guān)兩線制的關(guān)鍵是要保證整個儀表的功耗低于 200uA，據(jù)此把總的功耗分配到各個模塊，其中傳感器模塊電流 50uA，信號調(diào)理 50uA，定值、電源、IGBT 合計 20uA。

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

 

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

 

2.2 兩線制的特點

兩線制電子壓力開關(guān)應(yīng)用后優(yōu)勢顯現(xiàn)。主要如下 ：1）可靠性高，不故障 ：兩線制電子壓力開關(guān)投入現(xiàn)場后，從 2012 年開始有幾千只業(yè)績，至今沒有發(fā)現(xiàn)自身原因?qū)е碌墓收希�誤動率和拒動率為零 [13,14]。究其原因，一方面不銹鋼擴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）沒有自熱，不漂移 ：由于微功耗擴散硅充油體傳感器工作電流只有 50uA，傳感器沒有自熱，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 沒有自熱引起的阻值變化、工作點漂移，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]，一年后校驗發(fā)現(xiàn)設(shè)定值不變，兩年后再次校驗，確認(rèn)開關(guān)沒有漂移。

 

3）抗振抗擾，耐高溫

①抗振 ：兩線制電子壓力開關(guān)從不銹鋼傳感器到電路板沒有可活動部件，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， 對微功耗產(chǎn)品尤為重要。不但在結(jié)構(gòu)上采用分倉設(shè)計，在電路上采用大功率共模，保證 EMC 符合國際標(biāo)準(zhǔn) [10,11]，1MHz ～ 80MHz 的干擾電壓達到了 20V 沒有影響，比軍標(biāo)10V 高 1 倍，因此應(yīng)用中未見產(chǎn)品受干擾發(fā)生誤動。

③耐溫 ：根據(jù)核電 40 年壽命測試標(biāo)準(zhǔn)，成功地進行了一組 20 只開關(guān)的 138℃ 10 天加速試驗，無一故障，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 比機械式開關(guān)速度快 40ms[5]。

5）無條件替代機械式開關(guān)

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

②兩線 ：和機械式開關(guān)一樣，兩線不分極性，不需要作任何改動。

2.3 兩線制壓力開關(guān)硬件的可靠性

1） 結(jié)構(gòu) 

從圖 5 可見，兩線制電子壓力開關(guān)沒有可活動部件。由于沒有彈簧、軟膜和微動開關(guān)部件，因而沒有機械卡澀和機械漂移。

2）傳感器

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

3 兩線制智能壓力開關(guān)變送器一體化儀表

3.1 兩線制智能壓力開關(guān)的研制

兩線制電子壓力開關(guān)的廣泛應(yīng)用，用戶不斷提出監(jiān)控和免維護校驗的要求，2016 年完成了兩線制智能壓力開關(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 MCU（A/D 轉(zhuǎn)換，輸出 DO 驅(qū)動IGBT[4] 控制開關(guān)狀態(tài)）50uA、液晶顯示 10uA，實際整機工作電流 160uA。

 

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

3.2 兩線制智能壓力開關(guān)的優(yōu)勢

兩線制智能壓力開關(guān)保留了兩線制電子壓力開關(guān)的基本特點，除功耗低、不漂移、無故障、精度高等優(yōu)勢外，還具有以下兩個智能化的特點 ：

1）可監(jiān)控、可預(yù)測。兩線制智能壓力開關(guān)能通過數(shù)顯展示壓力值，可設(shè)定動作值、返回值、延時和常開 / 常閉接點信號，可進行五點標(biāo)定。壓力值的顯示提供了對測量系統(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關(guān)的工作狀態(tài)，為保護系統(tǒng)提供了可視、可查、可監(jiān)控、可預(yù)測的辦法，為電廠保護可靠性的提高提供了根本性的保證。

 

2）免校驗、免維護。

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

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

4 兩線制智能壓力開關(guān)的應(yīng)用

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

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 ；用于磨煤機的有國電寶慶、華能左權(quán)、南通、岳陽等廠 ；用于等離子系統(tǒng)的有華能海門、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 ：用于油系統(tǒng)的有華能北京熱電燃機交流油泵、華能德州小機掛閘油壓、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、岳陽電廠、國電 ；用于真空或壓力的有華能包二、兩江燃機、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)機入口濾網(wǎng)差壓、索普化工集團聯(lián)鎖保護，威海化工、鞍鋼、本鋼等。以上應(yīng)用，用戶反應(yīng)壓力開關(guān)性能穩(wěn)定可靠，未發(fā)生誤動、拒動現(xiàn)象，應(yīng)用效果良好。

 

5 結(jié)論

眾所周知，由于機械式壓力開關(guān)的種種不良，很多場合采用變送器來替代壓力開關(guān)。在壓力開關(guān)性能沒有根本改變時，確實就是非常好的辦法。但兩線制智能壓力開關(guān)的出現(xiàn)，從根本上改變了機械式壓力開關(guān)的不足，為控制系統(tǒng)提供了非常合理、簡單、經(jīng)濟、快速和抗干擾性良好的保護與控制元件，必將為保護系統(tǒng)的可靠性帶來根本性的提高。

 

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)換帶的累積延時和累積誤差。

2）簡單 ：把物理量直接轉(zhuǎn)換成開關(guān)量進行控制，系統(tǒng)簡單、可靠。

3）經(jīng)濟 ：DCS/PLC DI 開關(guān)量要比 AI 經(jīng)濟很多，其原因主要是開關(guān)量沒有 A/D 器件，加上模擬量電路要復(fù)雜，所以 DI 造價要低很多。

 

4）速度 ：控制器的浮點運算占用的時間、內(nèi)存要比開關(guān)量多很多，特別是在汽機保護那種要求小于 50ms 或更快的場合，更是非常關(guān)健（請注意 ：不要誤認(rèn)為臺式計算機速度很快，控制器就可以做到很快，實際上控制器往往要比臺式計算機落后近 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保證信號的可靠性的，但模擬量則仍沒有類似強大的隔離器件，一方面模擬量隔離器件昂貴，另一方面隔離電路復(fù)雜，所以采用開關(guān)量的抗干擾能力要比模擬量更簡單、經(jīng)濟、可靠。

 

兩線制電子或智能壓力開關(guān)是電子技術(shù)、傳感器、計算機技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，具備無條件替代機械式開關(guān)的能力和優(yōu)勢，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，在兩線制壓力（含差壓、溫度）開關(guān)變送器一體化的基礎(chǔ)上，推廣到液位、料位、流量等儀表，全面實現(xiàn)兩線制必將為儀表發(fā)展帶來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代