石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 兵

(中國石油大慶煉化公司 聚丙烯廠控制車間，黑龍江 大慶 163000)

石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 兵

(中國石油大慶煉化公司 聚丙烯廠控制車間，黑龍江 大慶 163000)

為了提高石油化工儀表的防雷安全性，進(jìn)行防雷接地系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種基于漏感和勵磁電感增益分配和檢波控制的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于麥克斯韋全電流定理，進(jìn)行石油化工儀表防雷接地的電磁場分析，以雙運(yùn)放LM358放大器為核心進(jìn)行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，主要包括了交流放大器設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、檢波器設(shè)計(jì)和直流放大器設(shè)計(jì)，在檢波設(shè)計(jì)中采用8階高通濾波器(S3529)并聯(lián)，提高防雷接地系統(tǒng)的輸出運(yùn)放性能，最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和電路測試；結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進(jìn)行石油化工儀表防雷接地設(shè)計(jì)，防雷的阻帶衰減大于51 dB，對雷擊信號具有較好的高通濾波和低通濾波性能，較好地保護(hù)了石油化工儀表安全。

石油化工；儀表；防雷接地系統(tǒng)；濾波器；檢波器

0 引言

石油化工工業(yè)生產(chǎn)中，由于原材料和成品的易燃易爆性，對石油化工儀器的防雷和防靜電等方面的安全保護(hù)提出了較高的要求，石油化工儀表是進(jìn)行石油化工生產(chǎn)監(jiān)測和測量的電子敏感元件，當(dāng)受到雷擊時，如果沒有較為有效的接地系統(tǒng)，將會對儀表造成嚴(yán)重的損壞，因此研究石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對提高石油化工儀表的防雷安全性，提高儀表和生產(chǎn)過程的安全性方面具有積極重要的意義，相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究受到人們的極大重視[1-2]。

隨著石油化工行業(yè)的高速發(fā)展，石化企業(yè)無論是在規(guī)模還和數(shù)量上都在不斷地增加，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，也推動著儀表體系更新?lián)Q代的速度不斷加快，儀表系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化取得了巨大成績。然而，石油化工儀表系統(tǒng)所存在的普遍過壓和過流、耐受能力差、絕緣強(qiáng)度低，對電磁干擾敏感的弱點(diǎn)等等，影響了儀器儀表系統(tǒng)的正常工作。加強(qiáng)儀表設(shè)備必要的防雷保護(hù)措施,防止因雷擊而導(dǎo)致儀表設(shè)備的工作失靈，損害儀表設(shè)備的安全運(yùn)行，保證石化企業(yè)安全生產(chǎn)具有積極意義。

石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建立在對雷擊信息的檢測和濾波基礎(chǔ)上，對雷擊電流信號的探測分為觸發(fā)引信和非觸發(fā)引信兩種主要形式[3]，通過對石油化工儀表雷擊現(xiàn)場的電場強(qiáng)度測量和自適應(yīng)檢波設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[4]中提出一種基于電涌過電壓保護(hù)器設(shè)計(jì)的儀表防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用本機(jī)振蕩幅度調(diào)制進(jìn)行防雷擊接地保護(hù)器設(shè)計(jì)，提高了對雷擊過程中的電涌過載失真，提高了誤差補(bǔ)償性能，但是該系統(tǒng)受到漏感和勵磁電感的影響較大，在受到較大強(qiáng)度的雷擊時保護(hù)性能不好。針對上述問題，本文提出一種基于漏感和勵磁電感增益分配和檢波控制的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以雙運(yùn)放LM358放大器為核心進(jìn)行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，主要包括交流放大器設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、檢波器設(shè)計(jì)和直流放大器設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)測試分析，得出有效性結(jié)論。

1 石油化工儀表防雷現(xiàn)狀

石油化工產(chǎn)業(yè)DCS 系統(tǒng)是一套兼有生產(chǎn)模式和生產(chǎn)控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)在當(dāng)前的石化生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，系統(tǒng)中的儀表設(shè)備較多，可以說是整個石化工業(yè)生產(chǎn)流程的總指揮部，因此，能否保證這套系統(tǒng)正常運(yùn)行也是關(guān)乎石化企業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)行的關(guān)鍵。石化DCS 控制系統(tǒng)包含了電源、儀表等設(shè)備，在遭遇雷電時，現(xiàn)場儀表和智能儀表變化產(chǎn)生相應(yīng)的雷電干擾，有可能會發(fā)生因雷電損害網(wǎng)絡(luò)和變送器的設(shè)備工作，而這些設(shè)備之間由于是相互的連通，一旦發(fā)生相互干擾就會導(dǎo)致儀表設(shè)備的整體癱瘓，嚴(yán)重的會導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)發(fā)生故障，整個生產(chǎn)工程會被迫停工。

2 原理分析及防雷接地系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

2.1 防雷接地原理分析及設(shè)計(jì)對象描述

(1)

(2)

如果電磁場是諧變的，即：

(3)

把空氣介質(zhì)當(dāng)作良導(dǎo)體，則對導(dǎo)電媒質(zhì)中的諧變電磁波進(jìn)行電磁場分析，對雷擊的麥克斯韋方程兩邊取旋度，則：

(4)

基于麥克斯韋全電流定理，進(jìn)行石油化工儀表防雷接地的電磁場分析，在雷擊電磁波的封閉面電磁場的波動方程表示為：

(5)

(6)

依據(jù)非觸發(fā)系統(tǒng)物理控制場的電磁衰減性，有:

(7)

(8)

(9)

將某一個場E，H作如下代換：

(10)

在球面電磁波的雷擊電磁場中得到了另一個場，也滿足于麥克斯韋方程組，通過對石油化工儀表防雷接地分析，球面電磁波近似為平面波來對待，以此為原理進(jìn)行防雷接地系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

2.2 石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體構(gòu)架

根據(jù)上述原理分析，得到石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的主要參數(shù)有：靈敏度(動作電壓)，通頻帶及交流放大量等，石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的基本特性滿足：頻率特性、振幅特性和時間特性[6]。頻率特性由石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的濾波器的頻率響應(yīng)所決定，由放大器的動態(tài)范圍決定振幅特性，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，要求石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)有更大的動態(tài)范圍，防雷接地系統(tǒng)的時間特性反映了對不同形式的雷擊信號電磁場的時滯性能。石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想描述為：對起伏的電磁信號進(jìn)行放大、選頻和自動增益處理，輸入信號幅度≥100 μV，石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的放大器總體放大倍數(shù)應(yīng)該大于50 000倍。由于石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的有效信號頻率范圍為100～2 000 Hz，所以本接收機(jī)內(nèi)部濾波器的通頻帶應(yīng)設(shè)計(jì)為100～2 000 Hz。采用兩級放大器，每級放大器放大為100多倍，又由于輸入信號起伏比較大，因此,要求對雷擊電磁波的有效信號頻率濾波范圍為100～2 000 Hz，所以輸出信號就很可能超出5 V的范圍，所以很有必要在高通濾波器幅頻電路中加入動態(tài)范圍≥25 dB 的AGC。由于石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的有效信號頻率范圍為100～2 000 Hz，因此要求本文設(shè)計(jì)的防雷接地系統(tǒng)的高通濾波器幅頻響應(yīng)曲線滿足圖1所示的幅值要求，低通濾波器幅頻響應(yīng)曲線滿足圖2所示的幅值要求。

圖1 防雷接地系統(tǒng)的高通濾波器幅頻響應(yīng)

圖2 防雷接地系統(tǒng)的低通濾波器幅頻響應(yīng)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文進(jìn)行設(shè)計(jì)的防雷接地系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上述進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和原理分析的基礎(chǔ)上，提出一種基于漏感和勵磁電感增益分配和檢波控制的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行防雷接地系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以雙運(yùn)放LM358放大器為核心進(jìn)行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，主要包括交流放大器設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、檢波器設(shè)計(jì)和直流放大器設(shè)計(jì)，基于MAX3491DSP芯片進(jìn)行防雷接地系統(tǒng)的主控設(shè)計(jì)，石油化工防雷擊接地保護(hù)系統(tǒng)的收發(fā)轉(zhuǎn)換復(fù)位電路是實(shí)現(xiàn)匹配后大功率發(fā)射雷擊信號源級的功能模塊，采用ADI公司的ADM706芯片精確控制雷擊接地保護(hù)系統(tǒng)的輸出電壓在3.3 V，選用PCI9054作為運(yùn)算放大裝置，引導(dǎo)ROM配置16位或者24位地址尋址，結(jié)合AD/DA轉(zhuǎn)換器經(jīng)24倍頻進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換[7-8]，采用經(jīng)典的運(yùn)算放大器電路進(jìn)行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的交流放大器設(shè)計(jì)，計(jì)算交流放大器的放大倍數(shù)A2為:

(11)

設(shè)計(jì)A1=400，實(shí)測A1=378。以C1,C2,C3為隔直流電容，得到石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的流放大電路如圖3所示。

圖3 石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的交流放大電路

設(shè)計(jì)的石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的有效頻率范圍為100～2 000Hz，因此在防雷接地系統(tǒng)的交流放大電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要兩個8階的帶通濾波器級連續(xù)進(jìn)行濾波電路設(shè)計(jì)，采用CMOS工藝制造的雙列直插式開關(guān)電容低通濾波器，設(shè)計(jì)一組七階橢圓函數(shù)低通濾波器，設(shè)計(jì)的濾波器電路的阻帶衰減> 51dB(當(dāng)f>1.3fC 時)，在fcp= 3.579 5MHz時, 若選擇D5～D0= 110010，帶寬BW=1.06fc= 3 392Hz，通過計(jì)算全部low-Vt單元最大功率，進(jìn)行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)高通濾波，采用開關(guān)電容濾波器芯片S3528作為當(dāng)D5～D0=110010 即 32時 , 確定S3529的D5D4D3D2D1D0=000001，濾波器的截止頻率fc= 2 905Hz，根據(jù)上述設(shè)計(jì)，得到石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的

濾波器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 濾波器電路設(shè)計(jì)

檢波器設(shè)計(jì)中采用一個8階高通濾波器進(jìn)行級聯(lián)，組成一個高通檢波電路，實(shí)現(xiàn)對石油化工儀表防雷接地的檢波設(shè)計(jì)[9]，用普通的二極管檢波電路實(shí)現(xiàn)檢波,采用本機(jī)振蕩幅度調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)防雷擊接地保護(hù)耦合控制，由D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號在(0～4.095V)之間，依據(jù)洛倫茲法則，構(gòu)建防雷擊接地保護(hù)電力控制功率放大器，確定輸入范圍為4V，假設(shè)防雷擊接地保護(hù)電路中的繞組為kf，采用“SS”型補(bǔ)償電磁耦合補(bǔ)償，由此構(gòu)建防雷接地系統(tǒng)的檢波電路如圖5所示。

在檢波電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的直流放大器設(shè)計(jì)，防雷擊接地保護(hù)通過PCB連接成一個集成統(tǒng)一的整體，直流放大器采用UCC3895移相全橋PWM控制，通過CPLD產(chǎn)生DSP中斷，直流放大的等效電路各部分阻抗[10-11]分別為：

(12)

(13)

(14)

圖5 石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的檢波電路設(shè)計(jì)

圖6 防雷擊接地系統(tǒng)的直流放大模塊電路設(shè)計(jì)

最后進(jìn)行整個系統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)，從原理圖轉(zhuǎn)換到PCB圖，得到防雷擊接地系統(tǒng)的功能電路設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)防雷接地防護(hù)中的應(yīng)用性能，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試分析，當(dāng)輸入雷擊信號Vi在100kV，頻率可變的正弦波，得到接地系統(tǒng)的輸入與輸出波形如圖8所示。

圖8 防雷接地系統(tǒng)電壓的輸入輸出波形

通過計(jì)算得到石油化工儀表的防雷擊接地截止頻率fl=87Hz、衰減特性為21dB，輸出接地電壓的峰值V0pp1以及Vopp1/Vipp1的測試數(shù)據(jù)結(jié)果描述見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)

分析上述結(jié)果得知，檢波電路的輸出電壓Vo為零，對應(yīng)于二極管D1的導(dǎo)通狀態(tài)，在VA由零變D2的導(dǎo)通電壓VD2期間，二極管導(dǎo)通電壓對檢波特性產(chǎn)生增益控制影響，防雷的阻帶衰減大于51dB，使得頻率在800Hz以上的信號都被濾除，對雷擊信號具有較好的高通濾波和低通濾波性能，從而對石油化工儀表防雷具有較好的保護(hù)作用。

4 結(jié)束語

本文進(jìn)行防雷接地系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種基于漏感和勵磁電感增益分配和檢波控制的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于麥克斯韋全電流定理，進(jìn)行石油化工儀表防雷接地的電磁場分析，以雙運(yùn)放LM358放大器為核心進(jìn)行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中主要包括交流放大器設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、檢波器設(shè)計(jì)和直流放大器設(shè)計(jì)，測試結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進(jìn)行石油化工儀表防雷接地設(shè)計(jì)，具有較好的高通濾波和低通濾波性能，測試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，對石油化工儀表具有較好的防雷擊保護(hù)能力。

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Design and Implementation of Mine Grounding System in Petrochemical Industry

Wang Bing

(Polypropylene plant Control workshop，PetroChina Daqing Refining&Petrochemical Company,Daqing 163000,China)

In order to improve the lightning protection safety of petrochemical instrument,the design of lightning proof grounding system,This paper proposes a leakage protection and excitation inductance of the gain distribution and the detection control method of grounding system design method,the current Maxwell theorem based on the analysis of electromagnetic field of petrochemical instrument,lightning protection and grounding,double operational amplifier LM358 amplifier as the core of Petrochemical Instrument lightning protection grounding system circuit design,including the design,filter design,AC amplifier the design of detector and DC amplifier design,using 8 order high pass filter in the receiver design(S3529)in parallel,improve the lightning protection and grounding system output amplifier performance,the system debugging and circuit testing,the results show that the design of petrochemical instrument grounding lightning protection in the system,the stopband attenuation greater than 51 dB,with the high pass filter and low-pass filter,better performance of the lightning signal,to better protect the safety of Petrochemical Instrument.

petrochemical industry;instrument;lightning protection and grounding system;filter;detector

2016-11-22；

2016-12-10。

王 兵(1970-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，工程師，主要從事儀器儀表及石油化工自動化、自動控制方向的研究。

1671-4598(2017)02-0213-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.058

TN710

A