RTU控制系統(tǒng)干擾因素分析及抗干擾措施

門 虎 李海權(quán) 辛 力 許立平

(1.新疆油田分公司石西油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；2.西部鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

油田自動(dòng)化系統(tǒng)中的各類遠(yuǎn)程測(cè)控終端(Remote Terminal Unit，RTU)，有的安裝在控制室，有的分散安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的油井設(shè)備上。由于RTU直接與現(xiàn)場(chǎng)的I/O設(shè)備相連，外來干擾很容易通過電源線或I/O傳輸線侵入，從而引起控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作。通過對(duì)RTU控制系統(tǒng)常見干擾源的分析，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)線路即可削弱、抑制內(nèi)部干擾并防止外部干擾。要提高RTU控制系統(tǒng)的可靠性，就要從多方面提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在此，分析故障現(xiàn)象與故障源，并給出抑制干擾或提高RTU控制系統(tǒng)本身抗干擾能力的具體辦法。

1 抗交流接觸器和感性負(fù)載干擾①

當(dāng)RTU連接有交流接觸器時(shí)，交流接觸器的通斷會(huì)引入強(qiáng)烈干擾。而且，只要是瞬間通斷的感性負(fù)載，都會(huì)在通斷時(shí)對(duì)RTU系統(tǒng)有強(qiáng)烈的干擾。在此，就以交流接觸器為例，分析產(chǎn)生干擾的原因并予以解決。

當(dāng)交流接觸器通斷時(shí)：I/O總線會(huì)失效，特別是在當(dāng)交流接觸器斷電時(shí)最易出現(xiàn)此故障。當(dāng)顯示接COM3口時(shí)顯示屏不通信，或主控制器采集數(shù)據(jù)不變，主控制器STAT燈閃爍，但主控制器COM1和COM2口仍正常工作；主控制器會(huì)死機(jī)復(fù)位，其現(xiàn)象是所有指示燈滅后再亮，這種現(xiàn)象出現(xiàn)得并不頻繁，較I/O總線失效少；部分模塊(如調(diào)理模塊及I/O模塊等)無法正常工作，現(xiàn)象是模塊數(shù)據(jù)采集超界或不變或模塊燒壞等，此類故障多出在與強(qiáng)電連接的模塊上。

1.1 干擾原因分析

產(chǎn)生以上問題的原因是：交流接觸器線圈為感性負(fù)載，通斷電時(shí)會(huì)在其兩端產(chǎn)生反向電壓，特別是在其斷電時(shí)線圈內(nèi)的能量無法釋放，產(chǎn)生的反向電壓會(huì)很大。此反向電壓能量不大，持續(xù)時(shí)間很短，但幅度很高，因此會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，通過線路或輻射影響RTU的工作。

有些情況下并不一定出現(xiàn)以上問題，比如：交流接觸器已經(jīng)接了釋放回路，或根據(jù)接線交流接觸器實(shí)際已存在釋放回路，或控制電路接有中間繼電器，或交流接觸器與RTU距離較遠(yuǎn)。

1.2 解決方法

可以在交流接觸器線圈兩端加壓敏電阻來解決上述問題，其接法如圖1所示，工作時(shí)壓敏電阻R的阻抗為無窮大；當(dāng)交流接觸器線圈J斷電時(shí)，J兩端會(huì)產(chǎn)生反向電壓，當(dāng)此電壓大于R的耐壓值時(shí)，R短路釋放掉J內(nèi)存儲(chǔ)的能量，避免了高壓的產(chǎn)生。壓敏電阻應(yīng)盡量靠近交流接觸器的線圈，最好直接接在線圈的接線端上。此方法是解決問題的根本方法，應(yīng)盡量采取此方法。

圖1 交流接觸器線圈兩端加上

壓敏電阻的選擇有兩個(gè)指標(biāo)——耐壓值和耐流值，其中耐壓值=線圈電壓×1.41×1.2×1.2，該式中線圈電壓為線圈額定電壓的有效值；1.41為有效值轉(zhuǎn)換為峰值的轉(zhuǎn)換系數(shù)；第一個(gè)1.2為考慮20%電源波動(dòng)的余量系數(shù)；第二個(gè)1.2為壓敏值的余量系數(shù)。耐流值一般取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是要大于10kA。按照上述算法，220V交流接觸器選擇470V、10kA的壓敏電阻，380V交流接觸器選擇780V、15kA的壓敏電阻。

也可以在控制輸出和交流接觸器之間加上中間繼電器，接法如圖2所示，J1為中間繼電器線圈，J2為交流接觸器線圈。當(dāng)觸點(diǎn)輸出閉和時(shí)中間繼電器閉和，交流接觸器通電。D為J1的泄流二極管，用于斷電時(shí)泄放J1中的能量，避免產(chǎn)生高壓脈沖。在選擇中間繼電器時(shí)應(yīng)選擇已加此二極管的繼電器，在使用時(shí)要注意其極性。R為J2的泄流壓敏電阻，即使使用了中間繼電器，也應(yīng)考慮增加此電阻，否則J2的反向高壓可能會(huì)通過各類連接導(dǎo)線返回到RTU中造成干擾。另外，當(dāng)J2為設(shè)備驅(qū)動(dòng)線圈(如電動(dòng)執(zhí)行器等)并且驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí)，其斷電時(shí)產(chǎn)生的反向高壓也可能造成中間繼電器的觸點(diǎn)粘連，使繼電器損壞。在以下情況下應(yīng)考慮增加壓敏電阻R：

a. 當(dāng)RTU與強(qiáng)電設(shè)備在一個(gè)箱體內(nèi)或二者之間有較多導(dǎo)線連接時(shí)，增加R避免J2產(chǎn)生反向高壓致使RTU被干擾；

b. 當(dāng)J2為設(shè)備驅(qū)動(dòng)線圈(如電動(dòng)執(zhí)行器)且需要較大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，增加R避免J2反向高壓造成中間繼電器觸點(diǎn)粘連。

圖2 在控制輸出和交流接觸器之間

如果J2電流不大而且不加泄流壓敏電阻R，或由于結(jié)構(gòu)和其他原因無法增加此電阻時(shí)，應(yīng)盡量使用屏蔽線實(shí)現(xiàn)RTU與強(qiáng)電設(shè)備的連接，并保證有良好的接地。

2 抗電源干擾

當(dāng)RTU使用現(xiàn)場(chǎng)電源，而電源有很大波動(dòng)或電源上有很大的干擾信號(hào)時(shí)，會(huì)使RTU工作不正常或?qū)π盘?hào)采集精度造成影響。

2.1 現(xiàn)象及干擾原因

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)變壓器同時(shí)為幾個(gè)大型設(shè)備(如抽油機(jī)等)供電時(shí)，由于變壓器容量不夠，在設(shè)備啟/停時(shí)，電源會(huì)有很大的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使RTU斷電復(fù)位，即一個(gè)設(shè)備的一啟一停會(huì)使電源產(chǎn)生很大波動(dòng)，RTU則判斷為斷電而自動(dòng)復(fù)位(指示燈滅后再亮)。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源一般允許的波動(dòng)范圍在20%以內(nèi)，產(chǎn)品也以此為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用的開關(guān)電源抗干擾能力是很強(qiáng)的。但由于現(xiàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜性，有時(shí)不能保證現(xiàn)場(chǎng)電源滿足正常的標(biāo)準(zhǔn)范圍。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)連有變頻器時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的雜波干擾，這些干擾可能通過電源線或地線影響到RTU，使AI信號(hào)采集精度降低，采集數(shù)值波動(dòng)變大。

2.2 解決方法

可以采用加交流穩(wěn)壓器或采用寬范圍電源模塊來防止電源波動(dòng)干擾，采用交流穩(wěn)壓器的接線方法如圖3所示。交流穩(wěn)壓電源和寬范圍電源模塊的指標(biāo)選擇根據(jù)RTU的電源要求確定。

圖3 增加交流穩(wěn)壓器的抗干擾接線法

還可以采用加電源濾波器的方式來杜絕電源雜波的干擾，其連接方法如圖4所示。電源濾波器的接地端接大地，需要220V(AC)供電，并將可能對(duì)電源造成干擾的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接在電源濾波器之前；需要220V(AC)供電并產(chǎn)生精密輸出給RTU的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)接在電源濾波器之后。

圖4 加電源濾波器的抗干擾接線法

3 抗信號(hào)線干擾

RTU信號(hào)線上有較大干擾脈沖，致使模塊檢測(cè)精度降低或不能正常工作，甚至損壞。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有變頻器及抽油機(jī)等大型設(shè)備時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)通過各種途徑對(duì)RTU信號(hào)線產(chǎn)生干擾，造成模塊采集數(shù)據(jù)大范圍跳躍，或模塊(特別是調(diào)理模塊)經(jīng)常損壞。造成采集數(shù)據(jù)大范圍跳躍的另一個(gè)原因是接地不好，工頻干擾較大。

可以在模塊輸入口加濾波和保護(hù)電路抗高頻干擾來解決上述問題，其接法如圖5所示，其中F1為可恢復(fù)保險(xiǎn)(100mA)，即過流保護(hù)；D1為瞬變管，即過壓保護(hù)；R1為變換電阻(250Ω)；R2為濾波電阻(10kΩ)；C1為濾波電容(1μF/50V)。R2和C1起濾波作用。

圖5 在模塊輸入口加濾波和保護(hù)電路的抗高頻干擾接線法

濾波與保護(hù)電路可抗除高頻干擾，但對(duì)低頻干擾(如工頻)的作用不大。對(duì)于低頻干擾則需要通過使用屏蔽信號(hào)線和接好地的方法來解決，這與現(xiàn)場(chǎng)施工關(guān)系緊密，現(xiàn)場(chǎng)接線時(shí)需注意：信號(hào)線盡量使用屏蔽線，而且接線不能屏蔽的部分要盡量短；屏蔽線在RTU端接地匯流條；信號(hào)屏蔽線盡量不要與交流電源線一起平行走線，盡量使用不同的穿管或線槽；RTU或現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備做好接地處理。為了抑制附加在電源與輸入端和輸出端的干擾，應(yīng)接專用地線，并且接地點(diǎn)要與其他設(shè)備分開。

4 結(jié)束語

遠(yuǎn)程測(cè)控終端在油田自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，RTU的抗干擾問題應(yīng)引起重視，并采取相應(yīng)的抑制措施。但是，增加抗干擾環(huán)節(jié)，實(shí)際上也增加了系統(tǒng)的故障環(huán)節(jié)，本身是一種矛盾。所以應(yīng)在保證控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提下，盡量少增加抗干擾環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地采取抗電磁干擾措施，就能使設(shè)備安全可靠運(yùn)行。