儀電聯(lián)鎖信號中間繼電器使用及分工探討

龔達(dá)樂

(中國石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計(jì)分公司,北京 100085)

中間繼電器常用于繼電保護(hù)與自動控制系統(tǒng)中,作為儀表過程控制系統(tǒng)與電氣馬達(dá)控制中心(MCC)之間的接口元件,起到轉(zhuǎn)換電壓、轉(zhuǎn)換接電類型、增加觸電容量、消除電路中的干擾、實(shí)現(xiàn)電氣隔離等作用。

1 中間繼電器

中間繼電器是由固定鐵芯、動鐵芯、彈簧、動觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)、線圈、接線端子和外殼組成。線圈通電,動鐵芯在電磁力作用下動作吸合,帶動動觸點(diǎn)動作,使常閉觸點(diǎn)斷開,常開觸點(diǎn)閉合;線圈斷電,動鐵芯在彈簧的作用下帶動動觸點(diǎn)復(fù)位[1]。

在不同的工業(yè)控制應(yīng)用中,中間繼電器的作用有所不同,常見的有以下幾種:

1)轉(zhuǎn)換電壓。儀表控制系統(tǒng)的控制回路中直流電壓為24 V,處于人體安全電壓36 V以下,屬于弱電系統(tǒng),而電氣側(cè)二次控制回路的電壓為交流220 V或者直流110 V,通過中間繼電器,可以將直流與交流、高壓與低壓分開,便于以后的檢維修并有利于操作維護(hù)安全。

2)轉(zhuǎn)換接點(diǎn)類型。在電氣二次控制回路中,可以將中間繼電器與原來的接觸器線圈并聯(lián),用中間繼電器的常閉接點(diǎn)去控制相應(yīng)的元件,實(shí)現(xiàn)有源信號到無源觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。

3)增加觸點(diǎn)容量。儀表控制系統(tǒng)I/O卡件的帶載能力有限,由于中間繼電器驅(qū)動所需要的電流很小,但外接電源可以使觸點(diǎn)側(cè)具有一定的帶負(fù)載能力,因此可以用中間繼電器來擴(kuò)大所需觸點(diǎn)容量控制其他負(fù)載,增加帶載能力。

4)增加接點(diǎn)數(shù)量。在電氣控制回路中,可以通過增加中間繼電器,在不改變控制形式的情況下,增加接點(diǎn)數(shù)量,而且便于維修。

5)消除電路中的干擾,實(shí)現(xiàn)電氣隔離。在工業(yè)過程控制或計(jì)算機(jī)控制回路中,雖然有各種各樣的干擾抑制措施,但干擾現(xiàn)象還是或多或少地存在著,在內(nèi)部加入中間繼電器,可以達(dá)到消除電路中的干擾,實(shí)現(xiàn)電氣隔離的目的[2]。

6)儀電聯(lián)鎖信號中間繼電器的使用。油氣行業(yè)中存在許多如泵、壓縮機(jī)、攪拌器、風(fēng)機(jī)等電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動設(shè)備,加熱器等電能轉(zhuǎn)化的靜設(shè)備。該類電氣設(shè)備需要通過MCC實(shí)現(xiàn)電氣控制,然而整個(gè)工廠的生產(chǎn)操作和過程控制是由操作員通過DCS,SIS,GDS等控制系統(tǒng)進(jìn)行,各種控制系統(tǒng)與MCC需要進(jìn)行信號傳遞,實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動的動、靜設(shè)備控制的要求。中間繼電器既可實(shí)現(xiàn)弱電信號的傳輸,還可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電用于控制動力輸出的目的,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電與弱電的隔離,對提升儀表弱電側(cè)的安全和系統(tǒng)的可靠性方面都是值得推薦的。

2 典型案例

2.1 中間繼電器柜的劃分

對于大型油氣行業(yè)項(xiàng)目,存在大量電驅(qū)轉(zhuǎn)動設(shè)備和靜設(shè)備,儀表電氣控制信號接口多,通常專門設(shè)置中間繼電器柜(IRP)用于儀電聯(lián)鎖信號的隔離,IRP用于安裝所有電氣控制回路、儀表控制回路接口的繼電器以及對應(yīng)的接線端子和內(nèi)部連接線。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段,一般將IRP劃歸電氣專業(yè)范圍,由電氣專業(yè)技術(shù)人員主導(dǎo)設(shè)計(jì)要求以及資料審查,儀表專業(yè)協(xié)同電氣專業(yè)。以電氣專業(yè)思路為主設(shè)計(jì)的IRP,按照電氣控制回路/電氣控制柜劃分接線端子排。

每一個(gè)控制回路的接口信號包括: ESD緊急停車,DCS啟動,DCS緊急停狀態(tài),電機(jī)運(yùn)行停止?fàn)顟B(tài),電機(jī)故障狀態(tài),電機(jī)可用狀態(tài)等,根據(jù)對特定電驅(qū)設(shè)備的控制要求選擇需要的信號由DCS,ESD遠(yuǎn)程控制。

按照電氣控制回路劃分接線端子排,由于電氣側(cè)低壓電機(jī)的二次控制回路為交流220 V,儀表側(cè)控制回路為直流24 V,會造成不同電壓等級的接線端子處在同一端子排上,不同電壓等級的線纜在同一匯線槽內(nèi)敷設(shè),難以達(dá)到隔離不同電壓等級和防止竄線的安全要求。

2.2 儀電聯(lián)鎖信號隔離

對于現(xiàn)場一些典型標(biāo)準(zhǔn)化成套動設(shè)備,以儀表風(fēng)撬為例,撬內(nèi)包括標(biāo)配的就地壓縮機(jī)控制盤,壓縮機(jī)額定功率為450 kW,額定電壓為110 kV,制造廠商標(biāo)配就地控制盤內(nèi)置邏輯控制器對壓縮機(jī)進(jìn)行啟停保護(hù)等控制,該就地控制盤與電氣中壓控制柜有5個(gè)接口,信號如下:

1)開機(jī)觸點(diǎn)信號。由壓縮機(jī)輸給中壓控制柜,觸點(diǎn)容量為220 V/2A。開機(jī)時(shí)由壓縮機(jī)輸出1個(gè)閉合的高電平脈沖信號,最長可持續(xù)3 s。

2)停機(jī)觸點(diǎn)信號。由壓縮機(jī)輸給中壓控制柜,觸點(diǎn)容量為220 V/2A。停機(jī)時(shí)由壓縮機(jī)輸出1個(gè)斷開的低電平脈沖信號,最長可持續(xù)3 s。

3)中壓柜二次分閘信號。由壓縮機(jī)輸給中壓控制柜,觸點(diǎn)容量為220 V/2A。壓縮機(jī)出現(xiàn)停機(jī)故障時(shí)輸出1個(gè)持續(xù)信號,壓縮機(jī)無故障時(shí)常閉,壓縮機(jī)故障時(shí)常開。該信號不能接入中壓控制柜的常規(guī)分閘回路,應(yīng)接入中壓控制柜故障分閘控制回路。

4)運(yùn)行反饋控制觸點(diǎn)信號。由中壓控制柜輸給壓縮機(jī),要求為無源觸點(diǎn)。即中壓控制柜合閘,輸出閉合信號,中壓控制柜分閘則該信號斷開。

5)綜合故障信號。由中壓控制柜輸給壓縮機(jī),要求為無源觸點(diǎn)。中壓控制柜如果有電流、欠電壓等故障時(shí),輸出斷開信號,無故障時(shí)該觸點(diǎn)常閉。

其中,信號1),2),3)為壓縮機(jī)控制柜內(nèi)的干觸點(diǎn),變電所內(nèi)中壓控制柜回路電壓為直流110 V;信號4),5)為變電所內(nèi)中壓控制柜的干觸點(diǎn),回路由壓縮機(jī)控制盤供電。由于未考慮就地控制盤內(nèi)低壓控制信號與儀表24 V直流信號的隔離措施,并且將從低壓控制盤引出的干觸點(diǎn)直接接入就地控制盤邏輯控制器數(shù)字量輸入通道,因此存在變電所中壓控制柜內(nèi)的低壓控制信號直接引入壓縮機(jī)就地控制器輸入通道的問題,會造成超壓損壞通道甚至控制器的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí),由于上述5個(gè)中壓控制柜與壓縮機(jī)就地控制盤之間的接口信號,分別屬于直流110 V和直流24 V兩個(gè)電壓等級,分屬儀表和電氣兩個(gè)專業(yè)范圍,容易導(dǎo)致專業(yè)責(zé)任范圍劃分不清楚,電纜規(guī)格和電纜路徑在設(shè)計(jì)過程中都存在不一致的情況[3]。

2.3 成套設(shè)備現(xiàn)場機(jī)柜室繼電器的應(yīng)用

在工程建設(shè)項(xiàng)目中存在一些成套撬裝裝置,成套設(shè)備控制系統(tǒng)(UCP)采用PLC控制,位于現(xiàn)場機(jī)柜室(FAR)中,并由制造廠商負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、供貨、安裝和調(diào)試[4]。在撬裝裝置UCP側(cè)所有開關(guān)量輸出信號都考慮了繼電器,而對于電機(jī)控制信號,同樣要求經(jīng)過IRP盤柜,再與MCC聯(lián)鎖,造成多個(gè)繼電器串聯(lián)輸出和回路中元器件功能重復(fù)的情況,同時(shí)增加了回路中的故障點(diǎn)[5]。該類典型的DCS開關(guān)量輸出回路如圖1所示。

圖1 典型的DCS開關(guān)量輸出回路示意

3 儀電聯(lián)鎖信號中間繼電器合理使用及分工

根據(jù)上述實(shí)際項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),采用以下專業(yè)劃分以及設(shè)置原則,以期有利于工程設(shè)計(jì)的順利實(shí)施和工程項(xiàng)目的電氣安全。儀電聯(lián)鎖信號中間繼電器合理使用及分工如圖2所示。

圖2 儀電聯(lián)鎖信號中間繼電器合理使用及分工示意

3.1 中間繼電器柜的專業(yè)劃分

IRP作為電氣專業(yè)二次控制回路與儀表專業(yè)控制回路的隔離接口,主要目的為保護(hù)儀表控制系統(tǒng)的安全,防止電氣控制回路的220 V交流和110 V直流電壓串入儀表直流24 V控制回路中,損壞控制器、卡件等控制系統(tǒng)元器件,并且使儀表側(cè)系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)直流電壓低于人體安全電壓,保障操作人員人身的安全。因此,實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)執(zhí)行過程中,電氣設(shè)備與儀表設(shè)備混合安裝在共用機(jī)柜時(shí),應(yīng)以雙方設(shè)備數(shù)量多少以及操作重要性的原則確定主設(shè)方和輔設(shè)方[6],將IRP主設(shè)方規(guī)定為儀表專業(yè),IRP的作用主要為隔離保證儀表側(cè)的安全,儀表專業(yè)能夠明確要求對IRP接線端子和電纜匯線的分區(qū)要求,劃歸儀表專業(yè)則可以最大程度地達(dá)到隔離保護(hù)儀表側(cè)信號安全的目的[7]。

3.2 成套設(shè)備就地控制盤與電氣控制柜聯(lián)鎖界面劃分

近幾年,油氣行業(yè)都在大力推行“五化”建設(shè),即標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),工廠化預(yù)制、模塊化施工、機(jī)械化作業(yè)、信息化管理[8]。大型油氣工程建設(shè)項(xiàng)目有許多成套撬裝設(shè)備,其中UCP小型控制系統(tǒng)設(shè)在就地控制盤中實(shí)現(xiàn)撬內(nèi)控制功能,由工廠配電所的電氣控制柜對其內(nèi)部大功率電機(jī)、泵等動設(shè)備供電并進(jìn)行電氣保護(hù)控制,因此會存在電氣中、低壓控制柜聯(lián)鎖界面。由于就地控制盤直接位于現(xiàn)場撬塊內(nèi),若要求統(tǒng)一經(jīng)過FAR內(nèi)IRP進(jìn)行接口信號隔離轉(zhuǎn)換,則需要設(shè)計(jì)額外的電纜路由,造成IRP接口信號過于復(fù)雜。

因此,對于該類成套撬裝控制盤,建議由設(shè)計(jì)院統(tǒng)一對就地控制盤與電氣中、低壓控制柜的聯(lián)鎖信號隔離提出要求,要求在就地控制盤內(nèi)隔離出一個(gè)中間繼電器區(qū)域,作為與電氣MCC接口信號的隔離轉(zhuǎn)換繼電器/隔離器以及對應(yīng)接線端子的安裝接線區(qū)域,并增加相應(yīng)警示保護(hù)蓋,對于與電氣MCC接口的DI,DO信號統(tǒng)一要求經(jīng)過隔離繼電器,防止電氣控制柜中的高電壓信號竄入就地控制盤損壞卡件或者控制器,同時(shí)由于繼電器對24 V回路信號具有隔離和電壓轉(zhuǎn)換的作用,也清晰地劃分了該類信號電纜的歸屬為電氣專業(yè),規(guī)格和路由由電氣專業(yè)統(tǒng)一考慮,專業(yè)劃分原則可參照小型電機(jī)MCC集成于撬內(nèi)的情況。

3.3 成套設(shè)備機(jī)柜間控制盤與電氣控制柜聯(lián)鎖界面劃分

同樣,對于一些復(fù)雜的大型撬裝設(shè)備,會將UCP放置于FAR內(nèi),并根據(jù)需要在UCP盤柜或者控制室內(nèi)設(shè)置操作站。

對于第三方控制盤處于FAR中的情況,和工業(yè)控制系統(tǒng)一樣需通過專門的IRP進(jìn)行機(jī)泵控制聯(lián)鎖信號傳輸,不需要新增電纜路由,不單獨(dú)在UCP側(cè)要求配置隔離繼電器,精簡了回路中的電子元器件[9]。對于雷暴頻發(fā)的特殊地區(qū),有防雷需求的,DO信號采用繼電器進(jìn)行隔離的同時(shí)需采取雷電防護(hù)措施,防止雷電直接損壞卡件,并需要控制器DO信號驅(qū)動大功率負(fù)荷,直接用卡件輸出無法驅(qū)動的情況則需另外考慮[10]。

4 結(jié)束語

中間繼電器廣泛應(yīng)用于儀表專業(yè)與電氣專業(yè)控制聯(lián)鎖信號的接口,但對專業(yè)劃分以及設(shè)置的原則,各個(gè)設(shè)計(jì)院與項(xiàng)目的要求并未統(tǒng)一,本文通過分析總結(jié)幾個(gè)項(xiàng)目執(zhí)行過程中實(shí)際的案例,按照儀表DCS/ESD控制系統(tǒng)、第三方成套設(shè)備就地控制盤,第三方成套設(shè)備機(jī)柜間控制盤三種情況分別討論與電氣控制柜接口控制聯(lián)鎖中間繼電器的使用以及劃分原則,擬在為今后工程建設(shè)項(xiàng)目中面對同類問題提供一定的參考價(jià)值。