第二章  顺序控制系统中的现场设备

    在顺序控制系统中，顺序控制装置根据开关量变送器提供的信息和运行人员发出的操作指令，经过逻辑运算，然后根据运算结果驱动执行机构，完成特定的控制任务。顺序控制系统的现场设备是提供开关量信息的检测变送器以接受并执行开关量命令的执行机构及其控制电路。

第一节  开关量变送器

    开关量变送器指的是直接把热工参量或机械量转化为开关量电信号输出的测量设备。它为顺序控制装置提供操作条件和回报信号。

    开关量变送器的基本工作原理是，将被测参数的限定值转换触点信号，并按顺序控制系统的要求给出规定电平(也可由顺序控制装置的输入部分转换为规定电平)，其电源通常由顺序控制装置供给。

    开关量变送器检测的是压力、温度等物理量，输出是开关量电平信号，一般来说，变送器的触点闭合或断开是在瞬间完成的，具有继电特性，因此也可称它为继电器，如压力继电器、温度继电器等。实质上开关量变送器就是一种受控于压力或温度等参数的开关，因而也称为压力开关、温度开关等 。

    当被测参数上升（或下降〕到达某一规定值时，开关量变送器输出触点原状态发生改变，这个规定值称为它的动作值。输出触点的状态改变后。在被测参数重又下降（或上升〕到达原动作功比原动作值稍小（或稍大）的另一个数值时触点恢复原来的状态，这个值可调整。但是有些变送器的这两个参数在制作时固定了，不能调。有的变送器不设动作值，如液流变送器只发出液流有无的开关量信息。

    开关量变送器主要的品种有：位置开关、压力开关和压差开关、流量开关、液位开关、温度开关等。它们被接到DCS的数字量输入卡，例如WDPF的QCI卡件，作为状态输入。

一、位置开关

    位置开关用于测量机械运动部件行程的极限位置，并送出开关量信号，也称为行程开关、终端开关等，位置开关的结构示意图2-1(a)所示。

    当被测机械运动部件的行程达极限位置时(如锅炉油枪推进到位)，掣子1使滚轮2和传动杆3压向左方，传动杆的转动轴带动凸轮4转动，从而克服复位弹簧8的压力使撞块推动杆6，推杆的下端压到微动开关7的操作钮10上（见图2－1，b），从而使微动开关内部的动触点13瞬时动作，转换与静触点的接通位置。动、静触点的引脚由导线引到位置开关外部，因此动作信号可以转换成电平信号，作为机械运动部件行程的开关量信号发送到顺序控制装置。当机械运动部件后退，掣子 脱离滚轮时，复位弹簧起作用，推杆释放，微动开关内部的动触点复位。

 

     图2－2示出了用于检测机械运动部件起始位置或极限位置时的位置开关触点的断合状态，位置开关S1用于检测起始位置，位置开关S2用于检测极限位置。当机械运动部件处于起始位置时，S1触点动作（动合触点事、动断触点断开〕，S2触点不动作。当机械运动部件前进，脱离起始位置，即处于中间位置时，按压不到S1，S1触点复位，S2触点不动作。当机械运动部件前进，到达极限位置时，S2触点动作 ，S1触点仍为复位状态。

 

二、压力开关

   压力开关用来将被测压力转换为开关量电信号，它的工作原理示意如图2－3所示。

   被测压力p送入测量元件转换为力F1，F1加在杠杆的右侧，复位弹簧6产生的拉力F2加在杠杆的左侧，差值弹簧5产生的推力F2也加在杠杆的左侧。但是差值弹簧的推力由于受到限位器4的限制，它只能在F1 大于F2时（分析时略去力臂的作用），杠杆作反时针方向偏转后才能加到杠杆上，因此，在没有被测压力时，差值弹簧的上端被限位并与杠杆脱离。

    当被测压力上升，产生的力F1大于主复位弹簧力与差值弹簧力之和F2＋F3时，杠杆可以继续反时针偏转并使微动开关动作，送出开关量信号。当被测压力下降，产生的力F1小于F2＋F3时，杠杆顺时针偏转，偏转一定角度后差值弹簧产生的力不起作用。如果F1继续减小，当F1小于F2时，杠杆继续顺时针偏转，直至使微动开关复位。

    由此可见，压力开关的动作值大于等于复原值加上差值（F1大于或等于F2＋F3），而复原值则为复位弹簧的力F2（F1小于或等于F2）。调整两个弹簧上面的调整螺钉，可以改变压力开关的动作压力值和复原压力值。

     压力开关有高、中、低和微压开关等多种，测力机构多采用力平衡原理，测量元件有单膜片、双膜盒、波纹管、弹簧管和大圆形橡胶膜等 ，可根据被测压力的高低选用合适的测量元件。

 

    压差开关实际上是压力开关的一个品种，它和压力开关的区别仅是测量元件为双室的。

 

三、流量开关

    在火电厂中，大部分蒸汽和水的流量都是采用节流方法测量的，利用孔板和喷嘴等已经标准化了的节流装置将流量值转换为压差值。输出开关量信号的流量开关采用了一个压差开关，用它测量节流装置转换出的压差值，并根据节流装置的流量压差特性整定压差开关的流量动作值，即可得到流量的开关量信号。用节流装置和压差开关组成的流量开关主要用于精确度要求较高的场合。

    此外，还有许多液体流动的工况并不需要用准确的流量值来反映，例如管道中所设滤网的堵塞信号、磨煤机的断煤信号、冷却水管道的断流信号、润滑油泵启动后回油的信号等。这些流量的开关量信号可以采用更简单和更直接的方法取得。

    管道中滤网的堵塞 反映在滤网前后的压差增大，因此可以直接使用压差开关测量滤网前后的压差。当压差增大时，由压差开关送出滤网堵塞的信号。

    磨煤机的断煤信号是由装在给煤机上的断煤开关提供的。断煤开关由一个可以绕轴摆动的档板、连在轴端部的一块压板以及可由压板按压的微动开关组成。当存在煤流时，档板被煤推起，带动轴和压板转动，这时微动开关不被压而断开；当煤断流时，档板靠重力返回 ，带动压板按压微动开关，送出断煤信号。

   在要区别管道中水或油的流量有无的场合，可以采用档板式或浮子式流量开关，也称为液流信号器。流体通过流量开关时，推动档板或浮子 。它们的位移通过杠杆带动外部的微动开关动作，或者通过磁钢使外部舌簧管的触点动作，从而发出开关量信号，用以判断管道中的液流是否存在。

 

四、液位开关

    常见的液位开关有两类，一类是浮子式的，另一类是电极式的。

    浮子式的液位开关是利用液体对浮子的浮力来测量液位的。当液位变动达到一定数值时，浮子带动的磁钢使外部的舌簧管触点动作，触点闭合后可送出开关量信号。

    电极式液位开关是利用液体的导电性来测量液位的。开关是一对上下安置的电极，当容器内的液体没有触及上部电极时，电极之间的电阻极大，中间继电器线圈的电路不通，继电器处于释放状态，当液体的液位上升并触及上部电极时，液体的导电性使两个电极之间的电阻急剧降低，中间继电器线圈的电路导通，继电器吸合，它的触点送出液位的开关量信号。

    利用平衡容器输出的压差值配合压差开关，可用来测量高温高压容器内的液位，输出开关量信号。

 

五、温度开关

    对于不同的温度测量范围，应选用结构不同的温度开关，在0℃～100℃的温度范围内，通常采用固体膨胀式的温度开关，在100℃～250℃的温度范围内，大多采用气体膨胀式温度开关，对于250℃以上的温度范围，则只能采用热电偶或热电阻温度计，经过测量变送器转换为模拟量电信号，再将电信号转换为开关量信号。

    固体膨胀式温度开关的工作原理是，利用不同固体受热后长度变化的差别而产生位移，从而使触点动作，输出温度的开关量信号。例如，有一种温度开关是用双金属片（黄铜片叠在铟钢片上）构成的，由于黄铜片的线膨胀系数较铟钢片大，在受热后，双金属片就会发生弯曲。当达到规定温度时双金属片自由端（温度开关的动触点〕产生足够的位移，与固定的静触点断开，送出开关量信号。

   气体膨胀式温度开关是按气体压力式温度计的原理工作的。它有一个测温包，内充氮气，通过密封毛细管接到压力开关的测量元件中。当被测温度达到规定值时，温包内的充气压力使压力开关动作。

 

第二节  开闭式阀门的操作及其控制电路

 

    火电厂中使用得最为广泛的执行部件是电动执行器。在顺序控制系统中，控制装置输出的开关量操作命令有相当大一部分是通过电动执行器去控制各种开闭式阀门的。能够接受开关量信号的控制，直接操作阀门自动开闭的执行器称为阀门电动装置，或称为电动头。

 

一、发电厂使用的开闭式阀门概况

     在火电厂中，由电动装置进行操作的阀门种类主要有闸阀、截止阀、蝶阀和球阀等。

     闸阀的启闭件是闸板形的，闸板沿着与流体流向相垂直的方向作直线运动，截断或开启流体流动的通道，它是火电厂中大口径管道上（Dt大于100mm）使用的主要阀门。

   截止阀的启闭件是塞形的阀瓣 ，阀瓣上下作直线运动，去截断或开启流体流动的通路。它是火电厂中使用得较多的一种阀门，Dt在100mm以下的管道上几乎全部使用截止阀。

   蝶阀的启闭件是一个圆盘形的蝶板，它通过围绕座内的轴旋转来开启与关闭阀门，蝶板从全开到全关的旋转角度通常小于90度，蝶阀不适用于高温高压介质。

   球阀是一种较新型的阀门，它的启闭件是一个有孔的球体，球体以阀体中心线为轴作旋转运动，来截断或开启流体流动的通道。阀门从全开到全关，阀杆的旋转角为90度。球阀适用于高压介质，但工作温度有一定限制。

   各类阀门开启和关闭位置的定位方式（即开启到位和关闭到位），对于阀门电动装置的选用以及控制电路的功能设计有很大影响。通常，开启位置的定位全部采用行程整定。对于关闭位置的定位，采用转矩整定的阀门有强制密封闸阀、截止阀和密封式蝶阀；采用行程整定的阀门有自动密封闸阀、球阀和非密封式蝶阀。

 

二、电动阀门的主要组成部分及功能

    电动阀门是由阀门电动装置和阀门共同构成的统一体，它既是管道部件，又是自动化部件，为了使阀门电动装置和阀门之间配合完全协调，以组成一个完善的电动阀门，必须保证阀门电动的技术特性完全满足阀门的操作特性，为此对阀门电动装置有以下要求：其最大输出转矩与阀门所需的最大操作转矩相适应；应能保证开阀的操作转矩大于关阀的操作转矩；应能保证阀门操作时要求的行程；应具有合适的操作速度，即小口径阀门的全行程时间为30～40S，大口径阀门的全行程时间为140～200S；应能适应阀门动作的总转圈数；应具有手动操作的机构；应能适应生产过程的环境条件；应能脱离阀门安装等。

    电动阀门的种类、系列很多，它的结构和主要组成部分随其本身各个部件的不同而有差别。图2－4所示为电动阀门典型结构的框图，现将它的主要组成部分功能叙述如下 ：

 

   （1）电动机：采用专门设计的三相异步电动机，它的启动力矩较大，按10～15min短时工作制设计，电动机的功率一般从40W到10KW。

   （2）主传动机构：电动机通过主传动机构减速后带动阀门的启闭件，最常见的是正齿轮传动和蜗轮传动相结合的结构形式。

   （3）转矩推力转换：对于启闭件作线运动的阀门（闸阀或截止阀），主传动机构输出转矩通过阀杆螺母转换为推力，带动启闭件动作，通常阀杆螺母都作为阀门的一个部件。

   （4〕二次减速器：对于启闭件作旋转运动的阀门（蝶阀和球阀），转动角度仅有90度，所以主传动机构的输出轴还要加装机械传动二次减速器才能去带动阀门启闭件动作。

   （5）行程控制机构：用来整定阀门的启闭位置。当阀门开度达到行程控制机构的整定值时，它将推动位置开关动作。阀门电动装置中位置开关的结构形式有多种。位置开关动作后即可发出信号给控制电路（见图2－5中的S3和S4）去切断电动机的电源。同时，它还可以发出信号供给其它自动装置，例如供顺序控制装置使用。

   （6）转矩限制机构：用来限制阀门电动装置的输出转矩。当阀门关严，转矩增大达到转矩限制机构的整定值时，它将推动转矩开关，把转矩转换为微动开关的动作，发出信号给控制电路（见图2－5中的S5和S6）去切断电动机电源。

   （7）阀位测量机构：阀位测量机构以模拟量的形式提供阀门的开度信号，在阀门电动装置本体上有机械式指示信号，也可利用电位器远传电气信号。

   （8）手动－电动切换机构：常见的机构是一种机械离合器。当人工把切换机构切到手动侧时，主传动机构与手轮结合，同时脱离或切断电动回路，就可以使用手轮操作电动门；电动时，电动机一开始旋转，切换机构自动切回电动侧，这种为半自动切换方式；而仍需要通过手动电动切换机构人工切回电动侧的称为手动切换方式。此外，对于双向均为自动切换的则称为全自动切方式，但由于机构复杂，使用较少。

   （9）操作手轮：电动操作发生故障时，用操作手轮进行手动操作，对于手动切 换和半自动切换方式的电动阀门必须先由运行人员将手动电动切换机构从“电动”侧切到“手动”，对于全自动切换方式的电动阀门则不需要这步操作。

   （10〕控制电路：阀门电动装置的电气控制箱内装有电气控制电路，用以接受运行人员从中央操作盘发来的操作命令或顺序控制装置发出的操作命令，自动地操作阀门的开闭。也可利用电气控制箱上的按钮，就地操作阀门的开闭，在现场对电动阀门进行调整。

    当阀门开闭到位时，控制电路能接受行程控制机构或转矩限制机构送来的信号，切断电动机的电源，停止阀门电动装置的工作。并且，控制电路具有保护功能，当电动机发生过载短路或断相等故障时，能自动切断电源。

 

 

三、阀门电动装置的控制电路

    目前，在火电厂中，对于开闭式阀门的控制大部分采用阀门电动装置（也有一些采用气动或液压执行部件），因此阀门电动装置成为顺序控制系统中的主要被控对象，是主要的执行部件。除此而外，还有大量的远方操作阀门使用阀门电动装置来实现操作。

    阀门电动装置的控制电路一般是由可逆式接触器和操作元件等构成的。为了保证电动阀门具有良好的操作性能，它的控制电路必须能满足生产过程的运行要求，应根据电动阀门不同的种类、系列、参数、定位方式及用途设计控制电路。然而，从控制电路的总体构成和主要功能来看，它们又具有很大的共同性，图2－5所示为适用于自动控制的阀门电动装置控制电路，阀门的定位方式为开阀到位按行程整定，关阀到位按转矩整定。现将控制电路的工作原理简述如下：

    合上电动机保护开关Q，电源通过开阀接触器K3或关阀接触器K4的触点接到电动机，根据接入电源相序的不同，电动机正转和反转，使阀门关闭或开启。

    接下开阀按钮S1时，中间继电器K1吸合，K1的动合触点使开阀接触器线圈K3的电路接通，动断触点使关阀接触器线圈K4的电路断开，形成开阀与关阀电路的电气互锁，K3与K4的触点也使电路形成电气互锁，在开阀和关阀电路中根据每个阀门在运行过程中的闭锁条件引入相应的动断触点，闭锁条件存在时不允许开阀或关阀。当触点S7、S5、S3、K2、K4都闭合时，K3吸合并保持（K1为短时吸合），电动机通过减速机构去开启阀门。当阀门全开时，开阀位置开关S3的动断触点断开，切断开阀电路，K3释放后电动机停止转动。

    关阀电路的工作原理与此类同，由关阀按钮S2操作。当阀门全关时，关阀位置开关S4动作后不能切断关阀电路，必须在关阀的转矩达到规定值时，由转矩开关S6动作才能切断关阀电路。如关阀时要求改为按行程定位，应使关阀接触器K4的自保持触点由A改变到B。由S4动作后去切断关阀电路，并重新调整行程控制机构，使之适合按行程定位。

    当电动阀门纳入程序控制系统时，自动控制信号使继电器线圈K7（或K8，图中均未画）短时吸合，转换触点K7（或K8）切向自动侧，使阀门自动开启（或关闭）。自动控制信号作用时，人工操作无效，因转换触点己将人工控制侧的按钮S1或S2的电路断开。

    阀门工况由信号灯显示，阀门全开时红灯HR点亮，阀门全关时绿灯HG点亮。开阀过程红灯闪光，关阀过程绿灯闪光，闪光信号是由阀门电动装置输出轴上的凸 轮推动闪光开关S8控制的。

    电动阀门开闭过程中常见的故障是机械部分卡住，为此设计了两种发出故障信号的电路，其一是，利用转矩开关的动作发出故障信号。开阀转矩开关只在开阀过程故障时才会动作，因此它的动合触点S5闭合可以提供故障信号。关阀过程故障信号利用关阀转矩开关的动合触点S6闭合产生，但是S6需串联关阀位置开关的动断触点S4。这是由于阀门正常关闭时，S6是要动作的，这时S4在阀门按近全关时己断开，S6闭合将不可能发出故障信号。而在关阀过程中S4未断开，因故障S6闭合时，就会发出故障信号。其二是，利用延时继电器K6发出故障信号。因为每个阀门的全行程时间是固定的，所以也可以用计时的方法来监视电动阀门的故障。在K6线圈的回路中串有位置开关S3和S4的动断触点，在阀门全开或全关位置，S3或S4总有一个是断开的，因此K6不会计时，阀门一开始操作，S2和S4均闭合，K6开始计时（时间整定较阀门全行程时间稍长）。如操作发生故障，超过阀门的全行程时间，阀门仍未开、闭到位，K6的延时动合触点闭合，就会发出信号。

温度开关S7、热继电器K5和电动机保护开关Q是分别用来保护电动机的过载、断相和短路等故障的。当电动机发生上述故障时，相应的元件动作，切断电源，使阀门电动装置退出工作。

第三节  转动机械的操作及其控制电路

在火电厂生产过程中应用着大量的转动机械，例如各种水泵、油泵、风机等，这些转动机械的驱动力主要来自电动机。在顺序控制系统中，必然有大量的转动机械需要纳入控制范围，而对于转动机械的控制实际上就是使驱动电动机合闸或分闸，从而投入或切除转动机械。厂用电动机一般分为两类：一类是功率较大的高压厂用电动机，电源电压为6000V，控制电动机合分闸的电器主要为油断路器，驱动的转动机械有给水泵、磨煤机、送风机、引风机等；另一类是功率较小的低压厂用电动机，电源电压380V，控制电动机合分闸的电器通常为接触器和自动空气断路器，驱动的转动机械有润滑油泵、冷却风机等。

图2－6所示为一种高压厂用电动机的控制电路。用于接通或断开电动机动力电源回路的高压电器为油断路器，其触点的合分闸动作是依靠操动机构完成。操动机构有两个控制线圈，合闸线圈吸合时，其铁芯推动连杆机构动作，带动断路器主轴转动，从而闭合主触点，电动机启动运行。这时连杆机构依靠自身的机构自保持，使断路器维持在合闸状态。这样，在电动机运行过程中，K4、Q1.1释放，而不需长期处于吸合状态。当分闸线圈吸合时，其铁芯将使连杆机构失去机械自保持，在断路器分闸弹簧力的作用下，断路器主轴反转，断开主触点，电动机停止运行。在断路器主触点动作的同时，它的辅助触点Q1.3－Q1.5也随之动作，以提供有关断路器（电动机）合分闸工况的信号给控制电路。

现将控制电路的工作原理分析如下：

当按下双触点合闸按钮S1或由顺序控制装置输出继电器的两对触点K2闭合发出合闸信号时（触点均应为短时闭合）,合闸接触器K4吸合,并控制合闸线圈Q1.1通电，断路器合闸，电动机启动运行。合闸后，断路器的辅助动断触点Q1.3断开，使K4、Q1.1失电。辅助动合触点Q1.4闭合。为分闸线圈K1.2的通电作好准备。与此同时，反映电动机工况的双位继电器K6的启动线圈K6.1通电，其触点均转换状态：K6.6闭合，红灯HR点亮，表明电动机处于正常运行中，同时还表明分闸电路是完好的(此时因限流电阻的作用，分闸线圈Q1.2不能使其铁芯动作)；K6.4闭合，为绿灯HG闪光作准备；K6.7闭合，为K6的复归线圈K6.2通电作准备；K6.8闭合，为事故继电器K7吸合作准备。此后合闸按钮S1或程控触点K2断开，启动线圈K6.1失电，但其触点状态不变，只有在复归线圈K6.2通电后触点状态才复位这是双位继电器的特性。

    当按下双触点加按钮S2或由程控装置输出继电器的两对触点K3闭合发出分闸信号时（也均应为短时闭合），分闸线圈Q1.2通电，断路器分闸，电动机停止运行。同时K6的复归线圈K6.2通电，它的触点全部复归，一方面使绿灯HG点亮，表明电动机己停转，另一方面使K6.2释放。此外，断路器分闸后，辅助触点Q1.4断开，使Q1.2失电。

     除以上正常合分闸以外，控制电路还具有使电动机联锁启动（例如联锁启动备用给水泵）的功能，此时联锁合闸触点K1短时闭合，而K6的启动线圈K6.1未吸合，其触点不动作，于是闪光信号通过K6.5使红灯HR闪光，表明电动机己被联锁自启动。如运行人员按下合闸按钮S1，K6.1吸合，红灯将由闪光转为平光。

    电动机运行过程中，当保护回路、联锁分闸触点K8动作，或按下就地事故按钮S3时，分闸线圈Q1.2吸合，使断路器分闸，电动机停止运行。这时辅助触点     Q1.4断开，红灯HR熄灭，辅助触点Q1.3闭合。由于K6的触点仍保持启动状态不变，K6.4是闭合的，旦是绿灯HG闪光，表明电动机事故停止或因联锁分闸自行停止。同时辅助触点Q1.5闭合，使事故继电器K7吸合后发出事故报警信号。当运行人员按下分闸按钮S2，使K6的复归线圈K6.2吸合，绿灯将由闪光转为平光。

 

    S3是装于电动机附近的事故分闸按钮，可由运行人员在就地紧急情况下使用；K8是来自外部联锁回路的分闸触点；保护回路系指电动机和转动机械内部系统的保护回路，例如电动机的电气保护回路、转动机械轴承温度过高保护回路等。

    继电器K5是在控制电路中采用电气方法防止断路器产生跳跃现象的继电电器。继路器的合分闸速度很快，一般合闸时间不大于0.2S，分闸时间不大于0.07S。在合闸时电动机发生故障的情况下，由于合、分闸指令同时存在，操动机构使断路器发生机械跳跃，不能很好地稳定在合闸或分闸的位置上，即断路器产生了“跳跃现象”，导致断路器瞬间多次合分闸，同时故障电流使断路器及电动机损坏，因此必须加以防止。

    防跳跃继电器K5.1、K5.2是一个双线圈继电器，电流线圈K5.1作为继电器初始吸合用，电压线圈K5.2作为继电器吸合后，保持继电器触点状态用。电流线圈K5.1接在分闸回路内，其灵敏度较之操动机构的分闸线圈Q1.2高得多，以保证Q1.2动作时，防跳跃继电器一定能吸合。在电动机合闸过程中，有跳闸指令出现时，分回路中的K5.1线圈吸合，动断触点K5.3断开合闸回路，使合闸按触器K4不能再次吸合，即不能重新合闸。但是由于分闸后Q1.4断开，将使电流线圈K5.1失电，这时合闸信号如己消失，则不会发生跳跃现象。如这时合闸信号仍然存在，则由于电压线圈K5.2通电并自保持（通过动合触点K5.4），合闸电路中的动触点K5.3断开，合闸接触器K4仍不可能再次吸合。直到合闸信号消失，K5.2失电后触点才能复位。这样，由于防跳跃继电器作用，断路器能稳定在分闸状态，防止跳跃现象发生。

 

第四节  与DCS相配的马达和阀门控制电路

一、马达（Breaker）控制电路

   下面再介绍一种引进机组上的马达启停控制电路。

图2－7  马达（Breaker）电源电路

 

    对马达（Breaker）电源电路说明如下，如图2－7：

      1） 开关箱到位后，52常开触点闭合。

      2） 42――即断路器（Breaker），它由控制电路的42继电器控制，42带电则接通马达电源，马达运行。42断电，则马达断电。

      3） 49继电器为自保持继电器。例如：当过载时，49常闭触点断开，继而使继电器42失电，马达停（称为跳闸）。

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