選擇器分為高值選擇器和低值選擇器，尤其在組成安全保護(hù)控制系統(tǒng)時(shí)常用，昌暉儀表在本文分享八種信號(hào)選擇器應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，工控人必須熟悉和掌握。

信號(hào)選擇器功能為從兩路信號(hào)中二選一作為輸出信號(hào)，信號(hào)選擇器功信號(hào)輸出控制方式有自動(dòng)高選、自動(dòng)低選、通過外部開關(guān)量/電平信號(hào)控制選擇一路輸入信號(hào)輸出四種方式，然后將選出的信號(hào)與輸入信號(hào)、電源進(jìn)行隔離輸出。自動(dòng)高選的信號(hào)選擇器稱為高值選擇器，自動(dòng)低選的信號(hào)選擇器稱為低值選擇器。

圖1   高值選擇器原理圖


圖2   低值選擇器原理圖
 
1、信號(hào)選擇器在選擇性控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
大家都清楚壓縮機(jī)是一種傳送氣體的設(shè)備，壓縮機(jī)可以由蒸汽帶動(dòng)帶動(dòng)，也可以由直流伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)的輸入量或調(diào)節(jié)直流電機(jī)的端電壓(或激勵(lì)電壓)都可以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的輸出流量與輸出壓力。圖3表示由一個(gè)低值信號(hào)選擇器管理流量與壓力控制系統(tǒng)的原理圖。壓力與流量系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器均選用PID調(diào)節(jié)器。圖3選擇性控制系統(tǒng)中P*為壓力控制系統(tǒng)的給定信號(hào)，壓縮機(jī)輸出壓力要求維持在P*附近，但不允許超過P*。Q*為流量控制系統(tǒng)的給定信號(hào)，壓縮機(jī)輸出流量要求維持在Q*附近，同樣不允許超過Q*。因此控制方式是在兩個(gè)控制系統(tǒng)中進(jìn)行選擇，看哪一個(gè)被控制變量超過給定值，就以那個(gè)變量為依據(jù)，由那個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器發(fā)出信號(hào)去修改可控硅調(diào)速系統(tǒng)的給定值，這是一種選擇性控制系統(tǒng)。低值選擇器在本系統(tǒng)中的作用就是管理兩個(gè)系統(tǒng)的作用。為了說明系統(tǒng)的工作原理，這里不妨設(shè)P＜P*、Q＞Q*，如果兩個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器整定參數(shù)一樣，Q系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器輸出就比P系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器輸出大，被低值選擇器切斷，但又不會(huì)進(jìn)入積分飽和區(qū)，保證當(dāng)Q＜Q*、P＞P*時(shí)能順利地從Q系統(tǒng)閉環(huán)轉(zhuǎn)移到P系統(tǒng)閉環(huán)，始終不讓壓力P與流量Q超過它們的給定值。

圖3   兩個(gè)控制系統(tǒng)的替代調(diào)節(jié)(選擇性控制系統(tǒng))

2、利用高值選擇器作檢測(cè)信號(hào)的過功能保護(hù)裝置
在原子能反應(yīng)堆或化學(xué)反應(yīng)器中，溫度的控制是保證生產(chǎn)過程正常進(jìn)行的因素，如果只裝一根熱電偶進(jìn)行監(jiān)視或調(diào)節(jié)，人們往往感到不安全，時(shí)常在不同的位置上安裝若干熱電偶，并通過溫度變送器將信號(hào)引到一個(gè)高值信號(hào)選擇器組。這樣做的好處有兩個(gè)：一是可以按照最高的溫度進(jìn)行控制，防止局部處于過熱狀態(tài)；二是隨便一支、兩支或三支熱電偶斷偶時(shí)，可以照樣進(jìn)行控制，大大提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。

圖4   多信號(hào)信號(hào)擇高控制系統(tǒng)
如果在圖4中，高值選擇器組的高值選擇器用低值選擇器代替，則可以構(gòu)成一個(gè)多信號(hào)信號(hào)擇高控制系統(tǒng)。

3、信號(hào)選擇器用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)作順序
如果一個(gè)隨動(dòng)的給定信號(hào)同時(shí)控制若干個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，則各個(gè)系統(tǒng)之間都存在著時(shí)間分配與信號(hào)匹配問題，信號(hào)的匹配保證系統(tǒng)能夠找到穩(wěn)態(tài)的工作點(diǎn)，時(shí)間分配保證生產(chǎn)的安全。許多生產(chǎn)過程為了避免生成副產(chǎn)品或?qū)е卤?，甚至為了?jié)能等原因，對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)作的先后順序都做了明確的規(guī)定。譬如重油燃燒過程規(guī)定，生產(chǎn)負(fù)荷增加時(shí)先增風(fēng)后增油，生產(chǎn)負(fù)荷減少時(shí)先減油后減風(fēng)，以避免出現(xiàn)二次燃燒損壞設(shè)備。諸如此類的系統(tǒng)一般要用兩臺(tái)信號(hào)選擇器(高值選擇器和低值選擇器各一臺(tái))來協(xié)調(diào)系統(tǒng)間動(dòng)作的順序，圖5表示重油燃燒控制系統(tǒng)的組成。當(dāng)負(fù)荷要求增加時(shí)，負(fù)荷指令I(lǐng)增加，由于I＞I1，所以低值選擇器選擇I1作為它的輸出信號(hào)，而且因?yàn)镮＞I2，P信號(hào)可經(jīng)高值選擇器作用于風(fēng)量調(diào)節(jié)器，使得空氣流量首先增加，風(fēng)量增加以后I1會(huì)逐漸增加，導(dǎo)致低值選擇器的增加。反之，當(dāng)負(fù)荷要求減少時(shí)，I＜I1，I＜I2，負(fù)荷指令I(lǐng)首先使燃油量減少，待燃油量減少以后在使空氣流量減少。這種動(dòng)作的控制方式稱為“先增后減”或“后增先減”，是一種典型的儀表系統(tǒng)線路。調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定以后保持I=I1，I=I2的關(guān)系。圖中定值器和加法器用于調(diào)整兩個(gè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)信號(hào)匹配，乘法器用于調(diào)節(jié)燃油量與空氣的比值。

圖5   重油燃燒控制系統(tǒng)控制原理圖                     

4、信號(hào)選擇器防止除法器輸出越限
除法器都需要滿足一定條件才能正常運(yùn)算，這個(gè)條件為I1≤I2，其中I1為被除數(shù)信號(hào)，I2為除數(shù)信號(hào)。
假如出現(xiàn)I2＜I1，除法器的輸出就超出了儀表信號(hào)的范圍。例如除法器，當(dāng)I2＜I1時(shí)，其輸出超出儀表信號(hào)的上限20mA。如果生產(chǎn)過程變量的控制信號(hào)I2有可能出現(xiàn)小于I1的情況，必須在線路中采取措施，防止這種現(xiàn)象反映到除法器中來，在昌暉儀表制造有限公司信號(hào)選擇器投運(yùn)以前，一般是將被除數(shù)信號(hào)分流或分壓后再接往除法器的，分流或分壓的程度要保證被除數(shù)永遠(yuǎn)低于除數(shù)信號(hào)(如圖6所示)。但是在選擇器出現(xiàn)以后，可以由高值信號(hào)選擇器來防止除法器輸出越限，其線路構(gòu)成如圖7所示。后一種方式同前一種方式相比，在正常工況下，可以保留除法器的靈敏度不變的特點(diǎn)。
         
圖6    用分路器防止除法器輸出信號(hào)越限                         圖7    用信號(hào)選擇器防止除法器輸出信號(hào)越限

5、選擇多輸入信號(hào)的中間值
有些生產(chǎn)過程，常常需要從若干同一性能的測(cè)量信號(hào)中選擇其居中的那個(gè)檢測(cè)信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)。例如加熱爐三個(gè)溫度區(qū)分別安裝三個(gè)溫度變送器，有高、中、低三種測(cè)量值，如果按最高那個(gè)溫度信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，則整個(gè)加熱爐的平均溫度會(huì)偏高。相反，若按最低溫度調(diào)節(jié)，則平均溫度會(huì)偏低。因此這三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)最有代表性的是中間值那個(gè)信號(hào)。圖7表示三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取中間值的線路組成。該線路由兩個(gè)高值選擇器與兩個(gè)低值選擇器構(gòu)成。下面分三種情況來討論。

圖8  三點(diǎn)中間值信號(hào)的選擇線路組成

①I1＜I2＜I3
在這種情況下，信號(hào)選擇器Ⅰ與信號(hào)選擇器Ⅱ的輸出信號(hào)為I12=I2、I13=I1。信號(hào)選擇器Ⅲ和信號(hào)選擇器Ⅳ的輸出信號(hào)為I14=I12=12、I0=I14=I2。選擇中間值信號(hào)I2作為輸出信號(hào)。
②I2＜I1＜I3
在這種情況下，信號(hào)選擇器Ⅰ與信號(hào)選擇器Ⅱ的輸出信號(hào)為I12=I1、I13=I2。信號(hào)選擇器Ⅲ和信號(hào)選擇器Ⅳ的輸出信號(hào)為I14=I1、I0=I14=I1。選擇中間值信號(hào)I1作為輸出信號(hào)。
③I1＜I3＜I2
在這種情況下，信號(hào)選擇器Ⅰ與信號(hào)選擇器Ⅱ的輸出信號(hào)為I12=I2、I13=I2。信號(hào)選擇器Ⅲ和信號(hào)選擇器Ⅳ的輸出信號(hào)為I14=I3、I0=I14=I3。選擇中間值信號(hào)I3作為輸出信號(hào)。
從上述三種情況的分析知道，不管何種情況，則圖8的線路總是取三個(gè)輸入信號(hào)的中間值作為它的輸出信號(hào)。


圖9   五個(gè)輸出信號(hào)的中間值選擇線路
根據(jù)上述原理，我們不難構(gòu)成一個(gè)五個(gè)輸出信號(hào)的中間值選擇線路，如圖9所示。這個(gè)線路是由兩個(gè)三點(diǎn)中間值信號(hào)的選擇線路串聯(lián)而成。前半個(gè)部分是從三個(gè)測(cè)量信號(hào)選擇居中的一個(gè)送至后半個(gè)部分，再同其他兩個(gè)信號(hào)比較，又從中選取一個(gè)居中信號(hào)。按照同樣的原理可以組成7點(diǎn)、9點(diǎn)......中間值的選擇線路。

6、信號(hào)選擇器用作通斷器與采樣器
低值選擇器與高值選擇器可以用作通斷器或采樣器。圖10用低值選擇器作通斷器，定值器只規(guī)定兩種信號(hào)0(儀表信號(hào)的零位)與1(儀表信號(hào)的上限)。當(dāng)IR為0時(shí)，I1信號(hào)被阻斷；當(dāng)IR為1時(shí)，I1信號(hào)通。圖11正好相反，當(dāng)IR為0時(shí)，I1信號(hào)通；當(dāng)IR為1時(shí)，I1信號(hào)被阻斷。圖12用脈沖源代替定值器，脈沖源的輸出信號(hào)在0和1之間周期性地變化，信號(hào)I1忽而通，忽而斷，形成同脈沖周期一樣的周期信號(hào)。
   
圖10   用低值信號(hào)選擇器作通斷器 

        
圖11  用高值選擇器作通斷器 
  
 
圖12   周期性信號(hào)輸出                       

7、信號(hào)選擇器用于組成信號(hào)排隊(duì)線路
有些生產(chǎn)過程要求知道所測(cè)得的檢測(cè)信號(hào)中哪一個(gè)高，哪一個(gè)低，哪一個(gè)處于中間值。這種要求可以通過圖12的排隊(duì)線路來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)線路由六個(gè)信號(hào)選擇器組成，由選擇器Ⅲ輸出最高的信號(hào)，由選擇器Ⅳ輸出最低的信號(hào)，中間信號(hào)由選擇器Ⅵ輸出。圖13的線路可以分成三個(gè)組成部分，Ⅰ與Ⅲ組成三中擇高線路，Ⅱ與Ⅳ組成三中擇低線路，而Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ則為一個(gè)中間值選擇線路。

圖13    三個(gè)輸入信號(hào)的排隊(duì)線路

8、信號(hào)選擇器用作浮動(dòng)限幅器
由于安全上的需要，許多生產(chǎn)過程常常要求對(duì)某個(gè)被調(diào)節(jié)的變量或操作變量加以限幅。這種限幅一般可以由限幅器來實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)限幅值要求由另一個(gè)變量浮動(dòng)限幅時(shí)，則需要采用信號(hào)選擇器來組成限幅系統(tǒng)。圖14表示了高限浮動(dòng)限幅器的結(jié)構(gòu)原理。運(yùn)行信號(hào)的高限為Ix，當(dāng)I1＜Ix時(shí)，I0=I1，但是當(dāng)I1＞Ix時(shí)，I0=Ix，即使I1繼續(xù)增大，I0也不會(huì)再增大，仍然維持在Ix的數(shù)值上。由于Ix是可變的，因此線路組成稱為高浮動(dòng)限幅器。圖15為低限浮動(dòng)限幅器的結(jié)構(gòu)原理，當(dāng)I1低于Ix的數(shù)值上。圖16為高、低限浮動(dòng)限幅器的結(jié)構(gòu)原理，這種結(jié)構(gòu)是由14和15串聯(lián)而成的。
                          
圖14   高限浮動(dòng)限幅器                                              圖15   低限浮動(dòng)限幅器   
                 
高、低限浮動(dòng)限幅器的輸出可表示為

圖16   高低限浮動(dòng)限幅器

浮動(dòng)限幅器對(duì)于提高設(shè)備生產(chǎn)效率和保證安全生產(chǎn)都有很多的應(yīng)用。例如壓氣機(jī)安全生產(chǎn)的一個(gè)重要條件是保證壓氣機(jī)不產(chǎn)生喘振。假如將壓氣機(jī)的吸入流量維持在某一個(gè)數(shù)值以上，則可以避免喘振，然而固定吸入流量又不利于充分發(fā)揮壓氣機(jī)的效能。一個(gè)比較有效的方法，就是根據(jù)出口壓力來浮動(dòng)限制最低的吸入流量，其控制系統(tǒng)的組成如圖17所示。圖中虛線框內(nèi)部分表示函數(shù)各部件，由一個(gè)加減器來實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)算關(guān)系為IΣ=I0+αIP，公式中I0為初始電流，表示P-0時(shí)壓氣機(jī)要求的最小回流量；α為比例系數(shù)。

IΣ為高值選擇器的低限浮動(dòng)限幅信號(hào)，在一般情況下，流量控制系統(tǒng)將安裝在回流管道上的調(diào)節(jié)閥維持在一個(gè)較小的開度上(譬如90%)。出現(xiàn)異常工況時(shí)，吸入流量不滿足壓氣機(jī)的穩(wěn)定條件，浮動(dòng)限幅信號(hào)將取代調(diào)節(jié)器操作回流調(diào)節(jié)閥，這時(shí)調(diào)節(jié)閥的開度加大，使回流量增加，將吸入流量提高到一個(gè)安全運(yùn)行的范圍內(nèi)。

隨著PLC和DCS系統(tǒng)的普及，在控制系統(tǒng)中以程序方式完成信號(hào)選擇器功能很方便，這并不是意味則信號(hào)選擇器老土落伍了，作為工控人必須熟練掌握信號(hào)選擇器原理和應(yīng)用知識(shí)，這會(huì)讓你做控制方案和在實(shí)施控制方案的DCS或PLC系統(tǒng)組態(tài)和編程過程中技高一籌。