儀表測控系統的抗干擾技術
2015-09-07
引言
儀表及控制系統的可靠性直接影響到現代化工業生產裝置安全、穩定運行，系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。隨著DCS、現場總線技術的應用，被控對象和被測信號往往分布在各個不同的地方，并且他們與控制站之間也有相當長的距離，因此，信號線和控制線均可能是長線。其次，現場往往有許多強電設備，他們的啟動和工作將對測控系統產生強烈的影響。同時來自空間的輻射干擾、系統外引線干擾等問題尤為突出。因此，除有用信號外，由于各種原因必然會有一些與被測信號無關的電流或電壓存在，這種無關的電流或電壓通稱為“干擾”（噪聲）。在測量過程中，這些干擾若不能很好地處理，那它將歪曲測量結果，嚴重時甚至使儀表或計算機完全不能工作。大量實踐說明，抗干擾性能是各種電子測量裝置的一個很重要的問題，尤其是DCS、現場總線技術的廣泛應用和迅速發展，有效地排除和抑制各種干擾，已成為必需探討和解決的迫切問題，因為干擾不僅能造成邏輯混亂，使系統測量和控制失靈，以致降低產品的質量，甚至使生產設備損壞，造成事故。因此，抗干擾技術在儀表測控系統的設計、制造、安裝和日常維修中都必需給予足夠的重視。
常見干擾源及對系統的干擾
由于測控信號往往是一種微弱的直流或變化緩慢的交變信號，最后還要通過長距離（有時長達幾百米甚至更遠）傳輸，因此像大功率馬達和其它電氣設備產生的磁場，高壓電氣設備產生的電場以及各種電磁波輻射等等的存在和變化都將以不同的途徑和不同的方式混入測控系統中。通常來說干擾儀表測控系統的干擾源主要有電力網絡和電氣設備的暫態過程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統電源線、信號引線、接地等引起的系統外引線干擾。這些干擾總體上分為兩大類：外部干擾和內部干擾，詳細分析無外乎由于輻射、溫度、濕度、振動、傳輸、感應、電源、接地幾個方面。下面對常見的幾種干擾機制進行分析：
來自空間的輻射干擾對測控系統影響主要通過兩條路徑：一是直接對計算機內部輻射，由電路感應產生干擾；二是對計算機外圍設備及通訊網絡的輻射，由外圍設備和通信線路的感應引入干擾。
來自傳輸的干擾主要有兩種途徑：一是通過傳感器供電電源或公用信號儀表的供電電源即配電器串入的電網干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，嚴重時會引起元件損壞，邏輯出錯和大的系統故障。
來自接地系統的干擾主要是接地系統混亂：測控系統的屏蔽接地線及機殼接地線、信號接地線、功率地線、交流電源地線等引起的噪聲耦合干擾。
從以上所述，我們可以總結出各種干擾源（噪聲源）對測量裝置及檢測系統產生干擾電流（電壓），需同時具備三個要素：⑴噪聲源；⑵對噪聲敏感的接受電路；⑶噪聲源到接受電路之間的傳輸途徑。
通用的抗干擾技術
既然形成對測量裝置及檢測系統的噪聲干擾需要“三要素”，因此消除和減弱噪聲干擾的方法亦應針對三項因素采取措施，即：⑴消除或抑制噪聲源；⑵阻截干擾傳遞途徑；⑶削弱接受電路對噪聲干擾的敏感性。以上三方面措施均屬于硬件措施。隨著微型計算機應用于工業生產，智能傳感器和智能儀表的普遍應用，在軟件方面，像數字濾波、數字處理等更多的抑制干擾的措施和方法得以應用，儀表測控系統安全水平大大提高。以上幾種措施通常采取隔離、屏蔽、抑制、接地保護、軟件技術完成，下面對這幾種技術——介紹。
隔離包含兩種意義：一為可靠絕緣，即保證導線之間不會產生漏電流，所以要求導線絕緣材料的耐壓等級、絕緣電阻必須符合規定；另一為合理配線，即要求信號線盡量避開干擾源，譬如當動力線和信號線平行敷設時，兩者必須保持一定的間距，兩者交叉時要盡可能垂直，導線穿管敷設時，電源線和信號線應在不同導線管內。不同信號輻值的信號線不宜穿在同一導線管內。在采用金屬匯線槽敷設時，不同輻值導線、電纜與電力線需用金屬隔板隔開。同一多芯電纜內不宜有不同輻值的信號線等等。
屏蔽和抑制是用金屬導體把被屏蔽的元件、組合件、電路及信號線包圍起來，主要用于抑制電流性噪聲藕合，起到一定的磁屏蔽作用。另外用雙絞線代替兩根平行線是抑制磁場干擾的一種行之有效的方法。
接地保護是指通過接地保護設備和人身安全和抑制干擾。通常分為屏蔽接地、本安接地、保護接地、信號回路接地，下面分別介紹：⑴保護接地是將電氣設備、用電儀表正常情況下不帶電的金屬部分與接地體之間做良好的金屬連接，若儀表盤意外帶電時，接地短路電流大多通過接地電阻；⑵工作接地是保證儀表精確、可靠地正常工作，它包括信號回路接地、屏蔽接地和本安儀表接地。
軟件抗干擾技術：工業現場的復雜環境硬件抗干擾措施無能為力，譬如工控機死機了或者控制出錯了。這將給生產帶來可怕后果，因此使用軟件抗干擾措施避免和減輕這些意外事故猶為重要。通常使用的軟件抗干擾技術有：實時控制軟件運行過程中的自監視法、實時控制系統的互監視法和重要數據備份法。
工作實際中抗干擾技術應用
1、實施技術改造，解除系統干擾，恢復關鍵機組聯鎖
設計33噸/小時造粒機是國內第一套大型擠壓機組，設計了294個溫度、壓力、流量、振動等聯鎖、報警控制點，一旦異常發生，聯鎖控制程序保證機組安全停車。但是，因設計人員經驗不足，考慮欠佳，機組開車后，多次發生溫度聯鎖控制誤動作造成擠壓機停車，給裝置生產帶來很大壓力。經技術人員處理，部分誤動作點被解除，但溫度聯鎖點因誤動作頻繁，只好暫時取消聯鎖，保留報警。盡管機組可以開車，但31個聯鎖點的暫時摘除給生產帶來很大壓力和安全隱患，并且溫度誤報警頻繁發生，造成操作人員很大思想壓力。因此，盡快找出解決方法，恢復聯鎖擺到了事業部領導和技術人員面前。通過組織技術人員分析控制系統設計、施工和運行狀況。發現設計考慮不周，控制盤溫度偏高、控制電纜屏蔽不好、二次儀表為塑料外殼且220VAC供電，使本來信號較弱的一次檢測元件熱電偶測量回路MV信號干擾嚴重，引發二次儀表頻繁誤動作。問題分析清楚后，我們可以通過對系統改進來解決。
⑴、將檢測元件由熱電偶改為熱電阻，增強信號抗干擾能力。
⑵、將控制電纜改為屏蔽電纜，較少信號干擾。
⑶、二次控制指示儀由220V AC供電改為24V DC供電，降低控制盤溫度和信號干擾。
⑷、控制盤增加排風扇，降低溫度。
⑸、嚴細組織施工，保證質量。
通過以上工作，該機組聯鎖控制在停運一年后全部得以投用，為公司級大型機組的安穩運行起到關鍵作用。
2、采用隔離和屏蔽抗干擾技術，確保DCS系統安穩運行，消除生產隱患
年產20萬噸聚丙烯裝置是國內第一套引進世界先進的氣相本體法生產工藝，儀表測控系統中先進控制回路占了很大比例。但由于設計和施工等因素影響，裝置剛開車時，卻頻繁發生儀表誤動作停車，給生產帶來及不利的影響，DCS卡件也不時損壞，經分析，該系統電氣到儀表控制電纜的屏蔽和隔離措施較差，造成DCS的DI卡件不時感應到170~200V電壓，引發DCS 邏輯誤動作，甚至造成裝置停車。對此，對嚴重影響生產的30余套信號線增加隔離繼電器盤，更換屏蔽控制電纜，取得了明顯效果。
3、減少遠程通訊傳輸控制，消除信號干擾。
某裝置關鍵壓縮機控制系統設計現場控制盤和中央控制室控制盤，中央控制室控制盤主要用于壓縮機控制安全聯鎖邏輯，現場控制盤除用于現場啟動操作還設計了部分手動控制功能，其中有壓縮機防喘振控制閥可以在現場進行手動和自動控制模式切換，這部分控制通過遠程通訊傳輸實現主控室和現場的銜接，在調試階段一切正常。但裝置開車后，由于信號干擾嚴重，壓縮機防喘振控制閥不時自己切為手動模式，現場無人操作，多次造成聯鎖停車。后對通信信號線進行了更新，情況略有好轉，但偶而也出現信號干擾，造成聯鎖停車。經技術人員多次分析，認為主裝置由于各種原因，電纜橋架控制電纜敷設不夠規范，存在較大干擾，造成裝置通訊信號不能很好工作。針對實際情況，該壓縮機控制信號出現干擾主要影響防喘振控制閥切換模式，在正常開車時，我們選用自動控制防喘振控制閥開度，異常時在現場操作手動控制防喘振控制閥開度。經認真論證，將現場盤通訊控制部分移到主控盤更安全可靠，實施后效果很好，再也沒發生信號干擾造成壓縮機停車事故。在新建裝置的壓縮機控制設計時，我們建議外方采用這一方案，取得了良好的成效，在大家的共同努力下，實現了裝置一次開車成功的良好業績。(end)
儀表及控制系統的可靠性直接影響到現代化工業生產裝置安全、穩定運行，系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。隨著DCS、現場總線技術的應用，被控對象和被測信號往往分布在各個不同的地方，并且他們與控制站之間也有相當長的距離，因此，信號線和控制線均可能是長線。其次，現場往往有許多強電設備，他們的啟動和工作將對測控系統產生強烈的影響。同時來自空間的輻射干擾、系統外引線干擾等問題尤為突出。因此，除有用信號外，由于各種原因必然會有一些與被測信號無關的電流或電壓存在，這種無關的電流或電壓通稱為“干擾”（噪聲）。在測量過程中，這些干擾若不能很好地處理，那它將歪曲測量結果，嚴重時甚至使儀表或計算機完全不能工作。大量實踐說明，抗干擾性能是各種電子測量裝置的一個很重要的問題，尤其是DCS、現場總線技術的廣泛應用和迅速發展，有效地排除和抑制各種干擾，已成為必需探討和解決的迫切問題，因為干擾不僅能造成邏輯混亂，使系統測量和控制失靈，以致降低產品的質量，甚至使生產設備損壞，造成事故。因此，抗干擾技術在儀表測控系統的設計、制造、安裝和日常維修中都必需給予足夠的重視。
常見干擾源及對系統的干擾
由于測控信號往往是一種微弱的直流或變化緩慢的交變信號，最后還要通過長距離（有時長達幾百米甚至更遠）傳輸，因此像大功率馬達和其它電氣設備產生的磁場，高壓電氣設備產生的電場以及各種電磁波輻射等等的存在和變化都將以不同的途徑和不同的方式混入測控系統中。通常來說干擾儀表測控系統的干擾源主要有電力網絡和電氣設備的暫態過程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統電源線、信號引線、接地等引起的系統外引線干擾。這些干擾總體上分為兩大類：外部干擾和內部干擾，詳細分析無外乎由于輻射、溫度、濕度、振動、傳輸、感應、電源、接地幾個方面。下面對常見的幾種干擾機制進行分析：
來自空間的輻射干擾對測控系統影響主要通過兩條路徑：一是直接對計算機內部輻射，由電路感應產生干擾；二是對計算機外圍設備及通訊網絡的輻射，由外圍設備和通信線路的感應引入干擾。
來自傳輸的干擾主要有兩種途徑：一是通過傳感器供電電源或公用信號儀表的供電電源即配電器串入的電網干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，嚴重時會引起元件損壞，邏輯出錯和大的系統故障。
來自接地系統的干擾主要是接地系統混亂：測控系統的屏蔽接地線及機殼接地線、信號接地線、功率地線、交流電源地線等引起的噪聲耦合干擾。
從以上所述，我們可以總結出各種干擾源（噪聲源）對測量裝置及檢測系統產生干擾電流（電壓），需同時具備三個要素：⑴噪聲源；⑵對噪聲敏感的接受電路；⑶噪聲源到接受電路之間的傳輸途徑。
通用的抗干擾技術
既然形成對測量裝置及檢測系統的噪聲干擾需要“三要素”，因此消除和減弱噪聲干擾的方法亦應針對三項因素采取措施，即：⑴消除或抑制噪聲源；⑵阻截干擾傳遞途徑；⑶削弱接受電路對噪聲干擾的敏感性。以上三方面措施均屬于硬件措施。隨著微型計算機應用于工業生產，智能傳感器和智能儀表的普遍應用，在軟件方面，像數字濾波、數字處理等更多的抑制干擾的措施和方法得以應用，儀表測控系統安全水平大大提高。以上幾種措施通常采取隔離、屏蔽、抑制、接地保護、軟件技術完成，下面對這幾種技術——介紹。
隔離包含兩種意義：一為可靠絕緣，即保證導線之間不會產生漏電流，所以要求導線絕緣材料的耐壓等級、絕緣電阻必須符合規定；另一為合理配線，即要求信號線盡量避開干擾源，譬如當動力線和信號線平行敷設時，兩者必須保持一定的間距，兩者交叉時要盡可能垂直，導線穿管敷設時，電源線和信號線應在不同導線管內。不同信號輻值的信號線不宜穿在同一導線管內。在采用金屬匯線槽敷設時，不同輻值導線、電纜與電力線需用金屬隔板隔開。同一多芯電纜內不宜有不同輻值的信號線等等。
屏蔽和抑制是用金屬導體把被屏蔽的元件、組合件、電路及信號線包圍起來，主要用于抑制電流性噪聲藕合，起到一定的磁屏蔽作用。另外用雙絞線代替兩根平行線是抑制磁場干擾的一種行之有效的方法。
接地保護是指通過接地保護設備和人身安全和抑制干擾。通常分為屏蔽接地、本安接地、保護接地、信號回路接地，下面分別介紹：⑴保護接地是將電氣設備、用電儀表正常情況下不帶電的金屬部分與接地體之間做良好的金屬連接，若儀表盤意外帶電時，接地短路電流大多通過接地電阻；⑵工作接地是保證儀表精確、可靠地正常工作，它包括信號回路接地、屏蔽接地和本安儀表接地。
軟件抗干擾技術：工業現場的復雜環境硬件抗干擾措施無能為力，譬如工控機死機了或者控制出錯了。這將給生產帶來可怕后果，因此使用軟件抗干擾措施避免和減輕這些意外事故猶為重要。通常使用的軟件抗干擾技術有：實時控制軟件運行過程中的自監視法、實時控制系統的互監視法和重要數據備份法。
工作實際中抗干擾技術應用
1、實施技術改造，解除系統干擾，恢復關鍵機組聯鎖
設計33噸/小時造粒機是國內第一套大型擠壓機組，設計了294個溫度、壓力、流量、振動等聯鎖、報警控制點，一旦異常發生，聯鎖控制程序保證機組安全停車。但是，因設計人員經驗不足，考慮欠佳，機組開車后，多次發生溫度聯鎖控制誤動作造成擠壓機停車，給裝置生產帶來很大壓力。經技術人員處理，部分誤動作點被解除，但溫度聯鎖點因誤動作頻繁，只好暫時取消聯鎖，保留報警。盡管機組可以開車，但31個聯鎖點的暫時摘除給生產帶來很大壓力和安全隱患，并且溫度誤報警頻繁發生，造成操作人員很大思想壓力。因此，盡快找出解決方法，恢復聯鎖擺到了事業部領導和技術人員面前。通過組織技術人員分析控制系統設計、施工和運行狀況。發現設計考慮不周，控制盤溫度偏高、控制電纜屏蔽不好、二次儀表為塑料外殼且220VAC供電，使本來信號較弱的一次檢測元件熱電偶測量回路MV信號干擾嚴重，引發二次儀表頻繁誤動作。問題分析清楚后，我們可以通過對系統改進來解決。
⑴、將檢測元件由熱電偶改為熱電阻，增強信號抗干擾能力。
⑵、將控制電纜改為屏蔽電纜，較少信號干擾。
⑶、二次控制指示儀由220V AC供電改為24V DC供電，降低控制盤溫度和信號干擾。
⑷、控制盤增加排風扇，降低溫度。
⑸、嚴細組織施工，保證質量。
通過以上工作，該機組聯鎖控制在停運一年后全部得以投用，為公司級大型機組的安穩運行起到關鍵作用。
2、采用隔離和屏蔽抗干擾技術，確保DCS系統安穩運行，消除生產隱患
年產20萬噸聚丙烯裝置是國內第一套引進世界先進的氣相本體法生產工藝，儀表測控系統中先進控制回路占了很大比例。但由于設計和施工等因素影響，裝置剛開車時，卻頻繁發生儀表誤動作停車，給生產帶來及不利的影響，DCS卡件也不時損壞，經分析，該系統電氣到儀表控制電纜的屏蔽和隔離措施較差，造成DCS的DI卡件不時感應到170~200V電壓，引發DCS 邏輯誤動作，甚至造成裝置停車。對此，對嚴重影響生產的30余套信號線增加隔離繼電器盤，更換屏蔽控制電纜，取得了明顯效果。
3、減少遠程通訊傳輸控制，消除信號干擾。
某裝置關鍵壓縮機控制系統設計現場控制盤和中央控制室控制盤，中央控制室控制盤主要用于壓縮機控制安全聯鎖邏輯，現場控制盤除用于現場啟動操作還設計了部分手動控制功能，其中有壓縮機防喘振控制閥可以在現場進行手動和自動控制模式切換，這部分控制通過遠程通訊傳輸實現主控室和現場的銜接，在調試階段一切正常。但裝置開車后，由于信號干擾嚴重，壓縮機防喘振控制閥不時自己切為手動模式，現場無人操作，多次造成聯鎖停車。后對通信信號線進行了更新，情況略有好轉，但偶而也出現信號干擾，造成聯鎖停車。經技術人員多次分析，認為主裝置由于各種原因，電纜橋架控制電纜敷設不夠規范，存在較大干擾，造成裝置通訊信號不能很好工作。針對實際情況，該壓縮機控制信號出現干擾主要影響防喘振控制閥切換模式，在正常開車時，我們選用自動控制防喘振控制閥開度，異常時在現場操作手動控制防喘振控制閥開度。經認真論證，將現場盤通訊控制部分移到主控盤更安全可靠，實施后效果很好，再也沒發生信號干擾造成壓縮機停車事故。在新建裝置的壓縮機控制設計時，我們建議外方采用這一方案，取得了良好的成效，在大家的共同努力下，實現了裝置一次開車成功的良好業績。(end)
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