仪表测控系统的抗干扰技术

仪表测控系统的抗干扰技术

作者：杨芳育，北京燕山石油化工有限公司聚丙烯事业部电仪车间

　引言
　　仪表及控制

　　tle="系统" style="text-decoration:underline;color:blue">系统的可靠性直接影响到现代化工业生产装置安全、稳定运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。随着DCS、现场总线技术的应用，被控对象和被测信号往往分布在各个不同的地方，并且他们与控制站之间也有相当长的距离，因此，信号线和控制线均可能是长线。其次，现场往往有许多强电设备，他们的启动和工作将对测控系统产生强烈的影响。同时来自空间的辐射干扰、系统外引线干扰等问题尤为突出。因此，除有用信号外，由于各种原因必然会有一些与被测信号无关的电流或电压存在，这种无关的电流或电压通称为“干扰”（噪声）。在测量过程中，这些干扰若不能很好地处理，那它将歪曲测量结果，严重时甚至使仪表或计算机完全不能工作。大量实践说明，抗干扰性能是各种电子测量装置的一个很重要的问题，尤其是DCS、现场总线技术的广泛应用和迅速发展，有效地排除和抑制各种干扰，已成为必需探讨和解决的迫切问题，因为干扰不仅能造成逻辑混乱，使系统测量和控制失灵，以致降低产品的质量，甚至使生产设备损坏，造成事故。因此，抗干扰技术在仪表测控系统的设计、制造、安装和日常维修中都必需给予足够的重视。
常见干扰源及对系统的干扰
　　由于测控信号往往是一种微弱的直流或变化缓慢的交变信号，最后还要通过长距离（有时长达几百米甚至更远）传输，因此像大功率马达和其它电气设备产生的磁场，高压电气设备产生的电场以及各种电磁波辐射等等的存在和变化都将以不同的途径和不同的方式混入测控系统中。通常来说干扰仪表测控系统的干扰源主要有电力网络和电气设备的暂态过程、雷电等引起空间的辐射干扰和系统电源线、信号引线、接地等引起的系统外引线干扰。这些干扰总体上分为两大类：外部干扰和内部干扰，详细分析无外乎由于辐射、温度、湿度、振动、传输、感应、电源、接地几个方面。下面对常见的几种干扰机制进行分析：
　　来自空间的辐射干扰对测控系统影响主要通过两条路径：一是直接对计算机内部辐射，由电路感应产生干扰；二是对计算机外围设备及通讯网络的辐射，由外围设备和通信线路的感应引入干扰。
　　来自传输的干扰主要有两种途径：一是通过传感器供电电源或公用信号仪表的供电电源即配电器串入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，严重时会引起元件损坏，逻辑出错和大的系统故障。
　　来自接地系统的干扰主要是接地系统混乱：测控系统的屏蔽接地线及机壳接地线、信号接地线、功率地线、交流电源地线等引起的噪声耦合干扰。
　　从以上所述，我们可以总结出各种干扰源（噪声源）对测量装置及检测系统产生干扰电流（电压），需同时具备三个要素：⑴噪声源；⑵对噪声敏感的接受电路；⑶噪声源到接受电路之间的传输途径。
　　通用的抗干扰技术
　　既然形成对测量装置及检测系统的噪声干扰需要“三要素”，因此消除和减弱噪声干扰的方法亦应针对三项因素采取措施，即：⑴消除或抑制噪声源；⑵阻截干扰传递途径；⑶削弱接受电路对噪声干扰的敏感性。以上三方面措施均属于硬件措施。随着微型计算机应用于工业生产，智能传感器和智能仪表的普遍应用，在软件方面，像数字滤波、数字处理等更多的抑制干扰的措施和方法得以应用，仪表测控系统安全水平大大提高。以上几种措施通常采取隔离、屏蔽、抑制、接地保护、软件技术完成，下面对这几种技术——介绍。
　　隔离包含两种意义：一为可靠绝缘，即保证导线之间不会产生漏电流，所以要求导线绝缘材料的耐压等级、绝缘电阻必须符合规定；另一为合理配线，即要求信号线尽量避开干扰源，譬如当动力线和信号线平行敷设时，两者必须保持一定的间距，两者交叉时要尽可能垂直，导线穿管敷设时，电源线和信号线应在不同导线管内。不同信号辐值的信号线不宜穿在同一导线管内。在采用金属汇线槽敷设时，不同辐值导线、电缆与电力线需用金属隔板隔开。同一多芯电缆内不宜有不同辐值的信号线等等。
　　屏蔽和抑制是用金属导体把被屏蔽的元件、组合件、电路及信号线包围起来，主要用于抑制电流性噪声藕合，起到一定的磁屏蔽作用。另外用双绞线代替两根平行线是抑制磁场干扰的一种行之有效的方法。
　　接地保护是指通过接地保护设备和人身安全和抑制干扰。通常分为屏蔽接地、本安接地、保护接地、信号回路接地，下面分别介绍：⑴保护接地是将电气设备、用电仪表正常情况下不带电的金属部分与接地体之间做良好的金属连接，若仪表盘意外带电时，接地短路电流大多通过接地电阻；⑵工作接地是保证仪表精确、可靠地正常工作，它包括信号回路接地、屏蔽接地和本安仪表接地。
　　软件抗干扰技术：工业现场的复杂环境硬件抗干扰措施无能为力，譬如工控机死机了或者控制出错了。这将给生产带来可怕后果，因此使用软件抗干扰措施避免和减轻这些意外事故犹为重要。通常使用的软件抗干扰技术有：实时控制软件运行过程中的自监视法、实时控制系统的互监视法和重要数据备份法。
工作实际中抗干扰技术应用
1、实施技术改造，解除系统干扰，恢复关键机组联锁
　　设计33吨/小时造粒机是国内第一套大型挤压机组，设计了294个温度、压力、流量、振动等联锁、报警控制点，一旦异常发生，联锁控制程序保证机组安全停车。但是，因设计人员经验不足，考虑欠佳，机组开车后，多次发生温度联锁控制误动作造成挤压机停车，给装置生产带来很大压力。经技术人员处理，部分误动作点被解除，但温度联锁点因误动作频繁，只好暂时取消联锁，保留报警。尽管机组可以开车，但31个联锁点的暂时摘除给生产带来很大压力和安全隐患，并且温度误报警频繁发生，造成操作人员很大思想压力。因此，尽快找出解决方法，恢复联锁摆到了事业部领导和技术人员面前。通过组织技术人员分析控制系统设计、施工和运行状况。发现设计考虑不周，控制盘温度偏高、控制电缆屏蔽不好、二次仪表为塑料外壳且220VAC供电，使本来信号较弱的一次检测元件热电偶测量回路MV信号干扰严重，引发二次仪表频繁误动作。问题分析清楚后，我们可以通过对系统改进来解决。
　　⑴、将检测元件由热电偶改为热电阻，增强信号抗干扰能力。
　　⑵、将控制电缆改为屏蔽电缆，较少信号干扰。
　　⑶、二次控制指示仪由220V AC供电改为24V DC供电，降低控制盘温度和信号干扰。
　　⑷、控制盘增加排风扇，降低温度。
　　⑸、严细组织施工，保证质量。
　　通过以上工作，该机组联锁控制在停运一年后全部得以投用，为公司级大型机组的安稳运行起到关键作用。
2、采用隔离和屏蔽抗干扰技术，保DCS系统安稳运行，消除生产隐患
　　年产20万吨聚丙烯装置是国内第一套引进世界先进的气相本体法生产工艺，仪表测控系统中先进
控制回路占了很大比例。但由于设计和施工等因素影响，装置刚开车时，却频繁发生仪表误动作停车，给生产带来及不利的影响，DCS卡件也不时损坏，经分析，该系统电气到仪表控制电缆的屏蔽和隔离措施较差，造成DCS的DI卡件不时感应到170~200V电压，引发DCS 逻辑误动作，甚至造成装置停车。对此，对严重影响生产的30余套信号线增加隔离继电器盘，更换屏蔽控制电缆，取得了明显效果。
3、减少远程通讯传输控制，消除信号干扰。
　　某装置关键压缩机控制系统设计现场控制盘和中央控制室控制盘，中央控制室控制盘主要用于压缩机控制安全联锁逻辑，现场控制盘除用于现场启动操作还设计了部分手动控制功能，其中有压缩机防喘振控制阀可以在现场进行手动和自动控制模式切换，这部分控制通过远程通讯传输实现主控室和现场的衔接，在调试阶段一切正常。但装置开车后，由于信号干扰严重，压缩机防喘振控制阀不时自己切为手动模式，现场无人操作，多次造成联锁停车。后对通信信号线进行了更新，情况略有好转，但偶而也出现信号干扰，造成联锁停车。经技术人员多次分析，认为主装置由于各种原因，电缆桥架控制电缆敷设不够规范，存在较大干扰，造成装置通讯信号不能很好工作。针对实际情况，该压缩机控制信号出现干扰主要影响防喘振控制阀切换模式，在正常开车时，我们选用自动控制防喘振控制阀开度，异常时在现场操作手动控制防喘振控制阀开度。经认真论证，将现场盘通讯控制部分移到主控盘更安全可靠，实施后效果很好，再也没发生信号干扰造成压缩机停车事故。在新建装置的压缩机控制设计时，我们建议外方采用这一方案，取得了良好的成效，在大家的共同努力下，实现了装置一次开车成功的良好业绩。

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