DCS信号干扰原因分析及解决方法探讨.docx

随着我国工业的发展，对工业控制系统自动化水平的要求也在不断提高，为了满足自动化控制的要求，DCS系统己经广泛运用于工业自动化控制。因此，DCS控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，其中系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。目前，自动化系统中所使用的各种控制系统大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。在施工现场，电气设备、仪表、DCS控制系统、DCS系统之间进行信号传输时，往往存在干扰，造成系统不稳定甚至误操作，必须得到重视。主要有哪些引入干扰电阻耦合干扰在工作过程中，由于许多工厂对于电线老化问题较为忽视。当多种信号线路一起进行信号传输时，会由于电线上的绝缘材料老化漏电而影响到其他传输信号，对其他传输信号有所干扰。除此之外，不仅信号线老化会对其他信号线产生影响，而一些大功率电路（例如：产热电路）在使用中如果发生线路老化，也会对信号产生很大干扰。电容电感耦合干扰通常的时候，被控现场的控制柜接入了诸多信号线，这些信号线有的使用电缆槽，有的使用电缆管，尤其是诸多信号同时布线，而信号间存在电容分布，会对别的信号线形成干扰。特别是在交流信号线四周形成交变磁通，进而在并行导体间形成电势，造成电势干扰信号。雷击干扰当发生雷击时，较大的电磁干扰也许会形成于所需信号左右，当然引入干扰途径也会在一定程度是经过各种接地线导致。雷击干扰方式主要有2种：一种是架空电源线，导致信号线遭遇雷击造成干扰；另一种是信号电缆周围遭遇雷击，导致信号线上形成电容、电感耦合分布，进而形成较大干扰，严重时损害设备，造成人身事故。供电线路干扰由于电厂中的大型设备启动关闭较为频繁，对大型元件的开关操作也很频繁，在这些大型电机设备开关时会产生瞬时的大型交变磁场。交变磁场会在信号线上发生耦合，从而对系统产生干扰，而这些交变磁场也会对电源线产生高频干扰，信号程度如果超过规定范围也会对系统产生影响。为了保证在大型电机进行开关时对系统进行保护，可以采用在电路中加入变压器，保证在开关电机时不会因为电压变化过大而产生交变磁场。造成干扰的主要原因材料及设备问题接入DCS系统的控制信号通常采用电缆作为传输介质将信号送至DCS系统，当信号电缆绝缘材料老化，屏蔽材质损坏，即会被其他电磁干扰源干扰，干扰会造成测量的误差，严重的干扰会造成设备损坏。施工不规范在DCS控制系统中，往往有很多信号同时接入DCS。这些信号线或者走电缆槽，或者走电缆管,造成现场很多不同种类电缆在同一个路径附设。这些信号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线上。同时，在传输信号的周围环境产生交变的磁通，例如动力线、电动机、发电机、电源变压器和继电器等都会产生这种磁场。这些磁场往往会造成较大的干扰。接地不合理比较常见的接地事故是信号线的两端均接地，这样会因地电势差而产生较大的干扰。如信号线的两端同时接地，可能会有较大的电位差，这种电位差可能会在两端之间的信号线上产生一个很大的环流。产生电磁波，干扰信号。还有DCS系统总接地电阻不符合DCS系统正常工作要求等等。如何抑制干扰保证信号线正常使用在信号线的使用过程中，避免多条信号线纠缠在一起，同时定期对信号线进行检查，对有绝缘胶体有破损的信号线进行修目和更换，以保证信号线的正常使用，避免发生漏电而对传输信号产生干扰。将电缆分层敷设将传递不同信号的电缆隔离开来，采用分层铺设的方式对电缆进行一定的调控，从而保证电缆之间不会相互作用。对于传递相同信号的电缆来说，也应当尽可能避免线路密集的纠缠，由于计算机端口在对信号进行处理时对信号可以进行一定程度的精密分析，所以如果有较为类似的信号互相发生信号干扰时，会对计算机的判断产生影响，从而导致计算机工作过程中出现分析错误。信号线隔离在设备运行过程中，可以采用电缆隔离的方式将信号进行隔离，从而保证信号之间不会产生相互影响0但隔离方式不仅可以将传输信号线进行隔离，还可以在电脑端将信号进行分类隔离，采用这种隔离方式可以很大程度上减小共模干扰对计算机造成的危害。还可以采用隔离放大器将信号的输入端与计算机完全隔离，采用这种方式可以对阻断干扰信号之间形成回路，抑制干扰的危害，保证系统的正常运行。供电系统隔离由于一些现场常常会对大功率电机进行开关，开关过程中会产生高频信号，为了防止高频电磁对系统产生干扰，可以通过在供电线路上安装变压器，可以对大功率电机开关所产生的高频电磁进行约束，避免对系统产生影响。扭绞与屏蔽信号导线的扭绞即双绞线替代平行导线，可达到抑制磁场干扰效果。屏蔽即采取金属导体隔绝元件、组合件以及信号线。屏蔽可以很好的抑制电容性耦合噪声。常用的方法是通过屏蔽双绞线连接模拟信号。通常情况下，不但电噪声干扰信号，而且强交变磁场也会干扰信号。因此，不但需要考虑电屏蔽，而且需要考虑磁屏蔽，可以采取导磁性能优越（如铁、锲等）的导体实现屏蔽措施。做好接地对于DCS接地系统，其主要包括2方面作用：一方面，在信号、供电电源进入DCS系统后或其自身发生故障时，可以承担超负荷电流而且能够将其传人地中；另一方面，接地系统可以提供屏蔽层给DCS,进而隔绝电子噪声干扰，同时可以提供参考零电位给全部系统。所以DCS系统通常包含工作及保护2个接地。电厂DCS系统的可靠接地是其正常工作的重要保证，且DCS接地系统的可靠性，又在很大程度上决定其抗干扰能力。本文针对各种影响DCS可靠测量的常见信号干扰类型进行了分析，对DCS系统接地的分类及接地方式进行了说明，并分析了DCS系统抗干扰措施。一、DCS系统干扰简介干扰是叠加在DCS系统电源、信号线上的与信号无关的电信号。干扰会造成测量的误差，严重的干扰会造成设备损坏。常见的干扰有以下几种：1.1 安装材料及设备质量问题导致的信号干扰当几种信号线在一起传输时，由于绝缘材料老化，漏电而影响到其他信号，即在其他信号中引入干扰。在一些用电能作为执行手段的控制系统中（如加热器等）信号传感器漏电，接触到带电体，也会引入很大的干扰。在一些执行机构中，现场端采用380VAC供电，由于设备烧坏而造成电源与信号线间短路，也会造成较大的干扰。1.2 由于施工不合理导致的信号干扰在控制系统中，往往很多信号同时接入DCS,这些信号线或者走电缆槽，或者走电缆管，造成现场很多根信号在一起走线。这些信号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线上.同时，在交变信号线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。13由于接地不合理导致的信号干扰例如在信号线的两端接地，会因为地电势差而产生较大的干扰（虽然大地理论上是O电势，实际上不同的接地点或多或少都有一定的电势差）。信号线的两端同时一接地，这样，如果两点的距离较远，则可能会有较大的电位差，这个电位差可能会在两端之间的信号线上产生一个很大的环流。二、常见的解决DCS系统干扰方法简介以上列举分析产生干扰的种种原因，这些干扰如果得不到很好的抑制和防止，轻则影响系统的测量技术精度，使正常的控制无法实现，重则会造成设备损坏，我们在长期的实践中总结出很多干扰抑制的方法如下：2.1 隔离方法2.1.1 保证信号电缆及设备绝缘：使所有的信号电缆及设备很好地绝缘，确保不漏电。这样，可有效防止由于接触引入的干扰。2.1.2 电缆分层敷设：施工时应注意在同一电缆通道中多层水平电缆桥架上，对电缆按信号强弱进行分层敷设。2.1.3 供电系统的隔离：为防止供电线路上引入共模高频干扰信号，可以在DCS进线回路上设隔离变压器进行干扰隔离。2.1.4 电气隔离：还有一种隔离是将信号源同DCS在电气上进行隔离，这样，会大大地减小共模干扰对计算机造成的危害。用隔离放大器将信号的输入端子与计算机部分完全隔离（有的DCS系统中采用隔离变压器，或继电器等方式隔离，对开关量则可以采用光电器件，或继电器进行隔离）。这样，由于电位不同所产生的干扰信号形不成回路，抑制厂干扰的危害。2.2 屏蔽方法屏蔽是用金属（屏蔽体）把电场或磁场等外界干扰阻止在受干扰物之外，现场中常用的屏蔽手段是采用屏蔽电缆。使用屏蔽电缆时，应注意进入DCS的信号电缆屏蔽层应采用单点接地的方式。当屏蔽电缆有中继点时，在中继处应注意屏蔽层的连续性。为保证屏蔽层单点接地，屏蔽层外应有良好的绝缘性方旨。三、DCS接地随着现在设备和安装材料（电缆等）的不断完善，施工水平的不断提高，以上抗干扰方式已能很好的解决上述常见干扰一、二，经核实，近年来更多的DCS系统信号干扰是由于接地方式不正确造成的。3.1 DCS接地功能简介DCS接地系统应该具备二种功能：第一，当进入DCS系统的信号、供电电源或DCS系统设备本身出现问题时,能有效地承受过载电流并可以迅速的将过载电流导入大地。第二，接地系统应能够为DCS提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整个控制系统提供公共信号参考点，即参考零电位。为了满足上述功能，DCS系统一般具有2个接地，即工作接地和保护接地。3.1.1 工作接地工作接地是为了使DCS以及与之相连的仪表或执行机构均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。不同资料对工作接地的分类和表述不同，一般分为逻辑地、信号地和屏蔽地。3.1.1.1 逻辑地：也叫主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+24v等电源的输出地。3.1.1.2 信号地：也叫信号回路地，是现场返回信号的负端。当DCS给现场提供24VDC时，且AI、Ao信号为非隔离式，信号地就是逻辑地。当由其他设备提供电源时，根据信号源原理决定是否接入公共接地极。3.1.1.3 屏蔽地：是为了避免电磁场对仪表和信号的干扰而采取的屏蔽网接地。电缆屏蔽层必须一端接地，以防止形成闭合回路干扰。恺装电缆的金属销不应作为屏蔽保护接地，必须是铜丝网或镀铝屏蔽层接地。接入公共接地极。3.1.2 保护接地保护接地是将DCS中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。DCS的供电是强电，通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电火线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成带电体，如果没有很好的接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，就会通过人身形成通路，发生危险。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。保护接地应牢固可靠，且不应串联接地。当利用自然接地体（如金属构件等）作为接地线时，应保证其全长为完好的电气通路。3.2 DCS接地的要求在DCS安装及使用中，必须遵循以下要求：系统的接地应牢固可靠，宜与电厂电力系统公用一个接地网，接地电阻应符合DCS厂家的要求不得通过非DCS设备接地，不得接到高压设备所用的接地点，非系统设备不得通过DCS系统接地，不得把接地接到结构件上。接地系统能否符合规程要求，主要指标是接地电阻大小。具体DCS接地电阻值，不同的DCS厂家会有不同的要求，以制造厂要求为准。3.3 DCS接地方式DCS系统一般接地方式有三种：1 .利用电气接地网作为DCS接地网，即与电气接地网工地。2 .设置DCS系统专用独立的接地网。3 .设置DCS专用接地网，再经接地线接至电气接地网。过去，计算机或DCS系统曾经较多的采用专用接地网，但是这种接地方式存在的缺点是：占地面积大，投资高，电缆及接地网钢材耗量大，距厂房有相当的距离（因不易在厂房内找到合适的位置）。管理、维护、测量及查找接地极和接地线不方便，且效果不佳。根据实际运行表明，设置专用的DCS接地网是既困难又不安全的。不少电厂DCS后来改用电气接地网接地，取得了良好的效果。从大量电厂的调查、总结、测试和理论分析证明，设置DCS专门独立的接地网，不但不能减少因电气接地网电位波动时对DCS系统的干扰，反而会增加其干扰程度。因此，DCS系统的接地“宜与电气网共地，不宜设置专用的独立接地网”这个结论是正确的。第三种接地方式与第二种借地方是有较多相同处，下面我们介绍第一种接地方式。较多DCS厂家要求设置独立的接地箱（DCS厂家有特殊要求的除外）,接地箱可设置在集中控制室下的电缆夹层中，它与电气地网的连接方式应符合：1 .DCS系统内不同性质的接地，均经绝缘电缆引至总接地箱上的接地铜排，然后用绝缘电缆与电气地网单点连接。在电气地网上，DCS系统接地点和大型电气设备接地点之间应保持足够的距离并符合厂家要求。2 .不同厂家的控制系统（如DCS和DEH等），厂家不同意在总接地箱处共地时，总接地箱内可分别设置接地铜排，分别用绝缘电缆按厂家要求与电气地网相连。3 .总接地箱中各种电缆与接地铜排连接，宜采用线鼻子压接后用带弹簧垫圈的螺栓连接或焊接。4 .计算机系统各种用途接地线的截面选择应符合厂家要求，一般情况可进行如下选择:总接地箱至地网接地点连接的接地电缆截面宜不小于50mm2,系统内不同性质的中心接地点至接地箱的接地电缆截面宜不小于25mm2,机柜间链式接地连接电缆的截面宜不小于16mm2,上述各项接地电缆可以采用低压铜芯电力电缆。5 .4DCS信号屏蔽及其接地根据有关技术规定要求，计算机或DCS系统信号电缆的屏蔽层不得浮空，必须接地，但不可同时接地，其接地方式应符合下列规定：1 .当信号源浮空时，屏蔽层应在计算机侧接地2 .当信号源接地时，屏蔽层应在信号源侧接地3 .当放大器浮空器时，屏蔽层的一端宜与屏蔽罩相连（现在的AI,Ao信号普遍采用隔离器）4 .当屏蔽电缆途经接线盒分断或合并时，应在接线盒内将其两端电缆的屏蔽层连接。DCS系统信号电缆的选择与敷设，应严格按照有关规定执行。屏蔽电缆的屏蔽层应按以上要求进行接地。为厂提高DCS系统的抗干扰能力，DCS系统开关量输入才输出信号，选用阻燃型对绞铜网屏蔽计算机电缆还是比较恰当的。现在国内电厂施工现场有时会出现Ao信号无法驱动设置的情况，经检查后发现，其信号源和DCS侧的屏蔽层都接地导致环流让AO信号失效。现在普遍采用将屏蔽层在DCS侧统一接地的方式。5 .5电气系统进入DCS信号接地根据电气专业相关规程，当采用静态保护时，采用屏蔽电缆时一屏蔽层宜在两端接地，这与热控专业对于电缆屏蔽层接地的规定产生厂矛盾。原因如下：对通过电容藕合的电场干扰，一点接地即可大大降低干扰电压，发挥屏蔽作用；但对于通过感应藕合的磁场干扰，传递信号的屏蔽双绞线两线上感应的干扰电压接近相等且方向相反,在应用回路中是互相抵消的。6 .6DCS接地注意事项机柜本体与底座间有胶皮形成绝缘，屏蔽地汇流排与底座间绝缘（DCS厂家有特殊要求的除外）。DCS机柜、操作员站、工程师站、网络交换机、服务器主机、系统显示器等采用外壳接地或直接将电源地线连接至电气接地网。帅模件：模拟量模件的24VDC的负端接至逻辑地汇流排上，逻辑地汇流排接至屏蔽地，再接人总接地汇流排。DCS机柜的保护地可从机柜下方的接地螺钉接至接地分干线,机柜的屏蔽地应从接地汇流排接至总结地箱汇流排（DCS厂家有特殊要求的除外）。远程DCS机柜可单独供电并根据DCS厂家要求就近接人电气地网。接地系统的电阻必须进行测试，以保证接地能满足控制系统制造商的要求。四、结束语DCS干扰是每个电厂DCS都会遇到的问题，本文对各种抗干扰方式进行了归纳总结，尤其对DCS接地作了细致的分析，希望能为今后工程提供参考。