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DCS信号干扰和卡件安全问题浅析与防范

发表时间：2020/10/27 来源：《基层建设》2020年第19期作者：刘卫

[导读] 摘要：本文通过简要分析DCS控制系统中产生信号干扰，和可能引起卡件过电压而烧毁的不安全因素，针对性地提出一般解决方法，并结合具体事例，总结了防范措施。

        兰州石化建设公司甘肃兰州 730060
        摘要：本文通过简要分析DCS控制系统中产生信号干扰，和可能引起卡件过电压而烧毁的不安全因素，针对性地提出一般解决方法，并结合具体事例，总结了防范措施。
        关键词：仪DCS；控制系统；信号干扰；信号隔离；接地
        一概述
        随着机械自动化水平的不断提高，DCS系统监视、控制的I/O点数众多，对工厂的安全、经济、简便运行起到越来越重要的作用，炼油化工装置的日常维护和检修也大量涉及到DCS控制系统。但是在基建、调试、运行或者检修中，系统的信号受到干扰、硬件损坏现象却屡见不鲜，造成了一定的经济损失，并对炼厂的安全生产构成很大威胁。如今系统卡件高度集成化，耐电压冲击能力小，价格又昂贵，因此有必要关注这些问题，不断积累经验，采取有效的防范措施。
        二仪控系统的信号干扰因素
        干扰又叫噪声，是窜入或叠加在系统电源、信号电缆上的与信号无关的电信号。干扰会造成测量的误差、严重的干扰可造成设备损坏。常见的干扰有以下几种：
        1传导干扰
        1）当几种信号电缆在一起传输时，由于绝缘材料老化、漏电而影响到其它信号，即在其它信号中引入干扰。
        2）在一些现场执行机构中，采用220V电源供电，有时设备烧坏，或者人为因素，造成电源与信号电缆间短路，强电窜入弱电，造成较大的干扰和设备损坏。
        3）由于接地不合理引起的共模干扰。如果信号电缆的两端同时接地，则两点的接地系统可能出现电位差异△E，可能会在信号电缆上产生一个很大的环流，叠加在信号电流上，造成模拟量信号波动，严重时可能引起卡件故障。
        4）在运行过程中，卡件发出的采集信号长时间接地，形成的接地电流超过允许值，导致通道损坏。
        以上这几种传导干扰中，由于现在仪控系统自身的设备状态都有保障，因此，由于绝缘材料老化或设备烧坏等原因引起的干扰较少出现，而由于接地引起的干扰较为常见，也比较难以捉摸，应该给予足够的重视。
        2 电容电感耦合干扰
        在被控现场，往往有很多信号走电缆槽或者走电缆管同时接入控制系统，这些信号电缆在一起走线，之间均有分布电容存在，会通过这些分布电容将干扰加到别的信号电缆上。另外，在交变信号电缆的周围会产生交变的磁通，而这些交变磁通会在并行的导体之间产生电动势，这也会造成线路上的干扰。
        3 大型电气设备引起的干扰
        在大型电气设备启动和开关装置动作频繁的地方，电动机的启动、开关的闭合产生的火花会在其周围产生很大的交变磁场．这些交变磁场既可以通过在信号电缆上耦合产生干扰，也可能通过在电源电缆上耦合产生高频干扰，这些干扰如果超过容许范围，也会影响系统的工作。
        4 其它因素
        雷击可能在系统周围产生很大的电磁干扰，也可能通过各种接地线引入干扰。静电也往往成为毁坏系统设备的杀手。
        三防止干扰和设备损坏的一般方法
        1 系统电源
        系统电源应该有冗余，各路配电模件应该有独立的截峰二极管（过压）、自动断路器（过流）等保护。供电系统最好采用隔离变压器，使DCS系统接地点和动力强电系统接地点独立开来，并采用电源低通滤波器来消除电网上的高次谐波。为避免波动，DCS供电要尽量来自负荷变化小的电网上。要严格防止强电通过端子排线路串入DC24V供电回路，并定期检查机柜电源系统是否正常、供电电压是否在规定范围内、系统接地是否可靠、良好、线路绝缘是否合格，停、送电按要求程序执行。通过以上工作，这方面的风险就可以有效避免。
        2 电缆敷设
        强电电缆与弱电电缆应分开敷设，电源电压220V以上、电流10A以下的电源电缆和信号电缆之间的距离要大于150mm，电源电压220V以上、电流10A以上的电源电缆与信号电缆之间的距离应该大于600mm。若只能放在同一桥架内，之间要装隔离板。仪表屏蔽电缆不可放在高压电场内。对于电容式设备的二次电缆，比如电容式电压互感器的二次电缆，施工要与地靠近平直。在发电机等附近有较强辐射处，要注意应该有铜皮或铝箔等做成密封箱，来起到屏蔽作用。信号回路必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。
        3 信号隔离
        对于模拟量输入输出（AI/AO）回路，要防止从现场来的强电串入卡件，以及就地设备与DCS系统不共地可能产生的电势差。重要回路应该采取信号隔离器。对于数字量输入输出（DI/DO）回路，常用的解决方法就是对DI/DO信号采用继电器隔离。比如对于一个电动阀控制开关反馈输入回路：现场的常开接点闭合时，继电器线圈带电，输出接点闭合，接点信号引入开关量采集卡件。这样，强电就不会串入卡件的信号回路，发生故障时，也主要检修隔离的外回路。采用继电器进行信号隔离的缺点是：需要给外回路添加供电回路；采用电磁隔离和光电隔离技术的开关量隔离器，可以减少为外回路供电的工作量。
        4 防静电和避雷措施
        进入控制室和工程师站，要穿防静电工作服，触摸模块时，必须带静电释放腕套。检修中，从机架上拆下的卡件要放在接地良好的防静电毡上，不能随意摆弄。采取综合的防雷措施，尤其是DCS系统不能和电气及防雷接地公用接地网，并且之间距离要满足要求。
        四应用实例
        兰州石化公司40万吨/年航煤加氢装置贫溶剂泵机组调试、试运直至机组稳定运行阶段，监视系统一直存在因电气送电使信号阶越变化的现象。某次在电机试用转（转速=3000转/秒），DCS系统显示各轴振动及电机转速测量回路因电机启动而出现较大幅度的变化，直接导致DCS信号显示泵电机机转速信号小于2900转/秒。并且，由于DCS系统显示各轴振动信号阶跃变化，而使某一轴振动数值瞬间超过设计范围，直接引发联锁使泵停止。

        屏蔽电缆两端接地引起的干扰举例
        分析原因认为：泵启动过程中，对母线的充放电过程和电源侧的电位变化相互作用，产生高频电流分量，在母线上传播反射形成高频电流和电压。高频电流经电容设备流入地网，据资料介绍此电流值会达到1000A。由于地网及导线对于高频电流有感抗，所以在地网局部有电位升高现象。由于DCS系统信号电缆屏蔽层两端接地，虽然对于外部电磁场有很好的屏蔽作用，但是在地网电位差的作用下在屏蔽层产生电流，形成对信号电缆的干扰。
        将部分现场接地的屏蔽电缆在DCS机柜端浮空如上图所示，并在仪表探头上采取一些抗干扰措施，基本解决了问题。
        五结束语
        由此看来，在仪表系统应用中，接地问题是非常值得关注的。接地设计其实是一个复杂的系统工程，在接地系统设计中要考虑到仪表系统的干扰问题，并在基建当中，要就这些问题向有关设备商交待清楚。另外，针对仪表系统干扰和安全问题，要求我们熟悉现场，采取适当综合的措施，就能在最大程度上保证系统的正常安全运行。
        参考文献：
        [1]杨庆柏王存旭高庆.热工控制仪表中国电力出版社，2001.6
        [2]梁晋文，陈林才，何贡.误差理论与数据处理[M].北京：中国计量出版社，2001.9
        [3]乐嘉谦.仪表工手册化学工业出版社，2004.1