淺析DCS信號(hào)干擾及抑制措施

吳有偉

摘 要：通過分析電廠熱工信號(hào)常見的干擾來源，結(jié)合幾起信號(hào)干擾事件，提出了有效的抗干擾措施，以提高DCS系統(tǒng)的抗干擾能力，為電廠人員提高參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：DCS控制系統(tǒng);熱工信號(hào);屏蔽;接地;抗干擾措施

一、前言

隨著自動(dòng)化程度的不斷提高，分散控制系統(tǒng)（DCS）已廣泛應(yīng)用于各電廠自動(dòng)化控制，機(jī)組各種自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)被控制量以及各模擬量測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性就顯得極為重要。DCS控制系統(tǒng)下的設(shè)備分布廣泛，使通訊信號(hào)容易受到外界因素的干擾，從而影響測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定可靠。

二、本廠DCS系統(tǒng)概述

本廠控制系統(tǒng)采用西門子的SPPA-T3000分散控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線采用PROFIBUS協(xié)議。以DCS控制系統(tǒng)為基本系統(tǒng)，嵌入現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信模件，形成現(xiàn)場(chǎng)總線的各級(jí)網(wǎng)絡(luò)，連接現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制和設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

DCS系統(tǒng)軟件里主要采取速率限制、三取中、三取平均值等方法避免測(cè)量的不準(zhǔn)確性引起誤發(fā)機(jī)組保護(hù)，因此DCS信號(hào)的可靠、準(zhǔn)確傳輸，是保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。

三、干擾來源與抑制措施

3.1干擾來源分類

影響控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣，大多產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動(dòng)的部位就是噪聲源，即干擾源。對(duì)DCS系統(tǒng)來說，干擾的主要來源有電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備、雷電引起的空間輻射干擾和系統(tǒng)電源線、信號(hào)線、接地等引起的系統(tǒng)外引線干擾。

3.1.1 電阻耦合干擾

在工作過程中，當(dāng)多種信號(hào)線路一起進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，由于電線上的絕緣材料老化漏電，對(duì)其他傳輸信號(hào)有所影響。除此之外，一些大功率電路在使用中如果發(fā)生線路老化，也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大的干擾。電纜老化，屏蔽材質(zhì)損壞，易被其他電磁干擾影響，造成測(cè)量的誤差。這種干擾在施工建設(shè)期間一般不會(huì)出現(xiàn)，往往是在機(jī)組運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)候后出現(xiàn)的一種干擾形式。

3.1.2 電容電感耦合干擾

在DCS控制系統(tǒng)中，總有很多的信號(hào)線同時(shí)接入系統(tǒng)。其中這些信號(hào)線部分走電纜槽，部分走電纜管，結(jié)果造成同一個(gè)路徑，附近往往會(huì)有許多不同種類的電纜。信號(hào)之間存在分布電容，對(duì)其他信號(hào)線形成干擾，同時(shí)，在傳輸信號(hào)周圍環(huán)境產(chǎn)生交變磁通，例如動(dòng)力線、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等都會(huì)產(chǎn)生這種磁場(chǎng)，造成較大的干擾。

3.1.3 雷擊干擾

當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，較大的電磁干擾可能形成在所需信號(hào)左右，雷擊干擾方式主要有兩種：一種是架空電源線，導(dǎo)致信號(hào)線遭遇雷擊造成干擾;另一種是信號(hào)電纜周圍遭遇雷擊，導(dǎo)致信號(hào)線上形成電容、電感耦合分布，從而形成較大干擾，嚴(yán)重時(shí)損壞設(shè)備，造成人身事故。

3.2 抑制干擾措施

DCS控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，其中系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。針對(duì)不同的對(duì)象和環(huán)境，應(yīng)采取不同的抗干擾措施，儀表信號(hào)傳輸過程中常見的抗干擾措施有：隔離、屏蔽、對(duì)絞、抑制共模干擾的生產(chǎn)及正確接地等。

3.2.1 隔離

隔離包括信號(hào)線隔離、供電系統(tǒng)隔離。將傳遞不同信號(hào)的電纜隔離開來，采用分層鋪設(shè)的方法對(duì)電纜進(jìn)行調(diào)控，以避免相互干擾。同時(shí)，不允許將信號(hào)線與交流電源線設(shè)在同一根電纜里，并保持一定的距離。由于現(xiàn)場(chǎng)會(huì)對(duì)大功率電機(jī)進(jìn)行開關(guān)，產(chǎn)生高頻信號(hào)，為防止高頻電磁干擾系統(tǒng)，可以在供電線路上安裝變壓器，避免對(duì)系統(tǒng)的影響。

3.2.2 扭絞與屏蔽

信號(hào)線的扭絞即雙絞線替代平行導(dǎo)線，可達(dá)到抑制磁場(chǎng)干擾的效果。

屏蔽即采用金屬導(dǎo)體隔絕元件和信號(hào)線。屏蔽可以很好的一直電容性耦合噪聲，常用的方法是通過屏蔽雙絞線連接模擬信號(hào)。

當(dāng)經(jīng)過電磁干擾嚴(yán)重區(qū)域的電纜或露天安裝的控制設(shè)備信號(hào)和電源電纜屏蔽，宜采用復(fù)合式總屏蔽（內(nèi)屏蔽層為一點(diǎn)接地，外層蔽層為兩點(diǎn)接地）。

3.3.3 接地

DCS系統(tǒng)的接地主要分為工作接地（系統(tǒng)接地）和保護(hù)接地。

DCS必須有單獨(dú)的接地系統(tǒng)，其接地體必須與交流地及其他用電設(shè)備接地分開，在電源地線的兩點(diǎn)間有毫伏級(jí)、甚至是伏級(jí)電壓，對(duì)于小信號(hào)電路來講，是一種嚴(yán)重干擾，所以交流地與信號(hào)地必須隔離，不能混用為一點(diǎn)。確保DCS控制系統(tǒng)的模擬信號(hào)及控制電纜屏蔽層接地方式符合規(guī)定，通常同軸電纜和模擬信號(hào)測(cè)控電纜宜采用控制室側(cè)集中一點(diǎn)接地方式。

3.3.4 其他抑制措施

針對(duì)以上幾種抑制措施，具體還有以下方式：加裝防浪涌保護(hù)器、加裝防護(hù)罩、加裝信號(hào)隔離裝置、加裝磁環(huán)等。

四、案例事故分析

4.1 閉式泵干擾造成氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋值波動(dòng)事件

2017年12月26日，#6機(jī)閉式水箱補(bǔ)水氣動(dòng)門閥位反饋波動(dòng)異常，閉式水箱液位較高。就地檢查補(bǔ)水氣動(dòng)門在全關(guān)狀態(tài)下投入自動(dòng)，閥位在0～20%之間不斷波動(dòng)，導(dǎo)致不斷補(bǔ)水，閉式水箱液位升高。

初步判斷外界干擾導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位器波動(dòng)異常，在對(duì)定位器加強(qiáng)接地并進(jìn)行自整定后，繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)波動(dòng)仍然存在，隨后對(duì)該氣動(dòng)門邏輯里修改比例帶、積分、微分參數(shù)以削弱干擾的影響，經(jīng)觀察后波動(dòng)頻率雖有所降低，但仍存在。在不斷的觀察分析后，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)為總線設(shè)備，就地總線柜位置在#62閉式水泵邊，由于閉式泵的干擾，使該總線下模擬量均受到波動(dòng)影響。在對(duì)總線柜進(jìn)行加強(qiáng)接地處理后，補(bǔ)水氣動(dòng)門恢復(fù)正常。

4.2 接地線松動(dòng)引起振動(dòng)測(cè)點(diǎn)跳變事件

2018年7月5日，#3燃機(jī)3瓦、4瓦軸承振動(dòng)測(cè)點(diǎn)發(fā)生跳變，測(cè)點(diǎn)波動(dòng)異常。

至現(xiàn)場(chǎng)檢查后，確認(rèn)實(shí)際振動(dòng)數(shù)值正常，振動(dòng)探頭及其前置器均正常無故障，判斷原因?yàn)橥饨绺蓴_導(dǎo)致，并采取了以下措施：將現(xiàn)場(chǎng)的電氣絕緣線與振動(dòng)探頭隔離開，并對(duì)進(jìn)入DCS的電氣信號(hào)進(jìn)行排查。最終結(jié)果為轉(zhuǎn)子接地松動(dòng)，固定接地后，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)恢復(fù)正常。

4.3 雷擊干擾造成設(shè)備損壞案例

2017年8月，#6機(jī)凝汽器循環(huán)水電動(dòng)門、#1冷卻塔流量計(jì)因遭遇雷擊而造成板卡損壞，通訊異常。對(duì)其通訊板進(jìn)行更換后，測(cè)點(diǎn)顯示恢復(fù)正常。

對(duì)于易受雷電干擾的系統(tǒng)或設(shè)備，應(yīng)請(qǐng)電氣專業(yè)配合選擇合理的位置安裝防浪涌保護(hù)器，或確認(rèn)已安裝防浪涌保護(hù)器的位置合理。

4.4 防范措施

針對(duì)以上幾起不安全事件，為防止現(xiàn)場(chǎng)干擾帶來的影響，結(jié)合公司現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，應(yīng)做好以下幾項(xiàng)工作：

（1）重點(diǎn)觀察易受干擾設(shè)備。檢查總線設(shè)備畫面趨勢(shì)，接地是否完好，針對(duì)靠近干擾源的總線柜，應(yīng)加強(qiáng)接地措施;對(duì)于室外露天設(shè)備，做好防護(hù)工作，針對(duì)易遭遇雷擊的設(shè)備，還應(yīng)加裝防浪涌保護(hù)器;

（2）加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行日常巡檢制度，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)異常狀況。運(yùn)行中定期檢查與自動(dòng)、保護(hù)相關(guān)的測(cè)量信號(hào)歷史曲線，若有信號(hào)波動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)引起高度重視，及時(shí)檢查系統(tǒng)中設(shè)備各相應(yīng)連接點(diǎn)是否松動(dòng)或接觸不良，電纜絕緣層是否有破損或接地，屏蔽層接地是否符合要求等，并進(jìn)行處理;

（3）落實(shí)消缺臺(tái)賬記錄工作。任何時(shí)候，一旦出現(xiàn)信號(hào)異變，熱控人員應(yīng)及時(shí)檢查原因并保存異常現(xiàn)象曲線，注明相關(guān)參數(shù)后歸檔。

五、結(jié)束語

DCS系統(tǒng)可靠運(yùn)行是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提，但由于現(xiàn)場(chǎng)熱工電纜質(zhì)量、鋪設(shè)走向、接地及其他抗干擾措施不符合規(guī)范要求，導(dǎo)致熱工測(cè)量信號(hào)受干擾發(fā)生躍變。因此需要熱工專業(yè)人員在DCS安裝和檢修維護(hù)過程中，綜合考慮各方面因素，制定有效的抗干擾措施，以抑制或消除干擾帶來的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊蔚然、王志錫.熱工儀表及控制裝置安裝[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[2] 徐平、李金燦.電控及自動(dòng)化設(shè)備可靠性工程技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，997.8.