電儀自動(dòng)化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)分析

長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410000

在現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)中,各領(lǐng)域、各學(xué)科之間跨領(lǐng)域相互影響和作用,推動(dòng)著機(jī)電儀區(qū)域朝著電儀自動(dòng)化一體化的方向飛速發(fā)展,而電儀自動(dòng)化控制的設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的諧波及電磁信號(hào)(如電網(wǎng)波動(dòng)、高壓設(shè)備開(kāi)關(guān)的電磁輻射及高次諧波等)會(huì)擾亂控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行,輕則降低系統(tǒng)的精度,重則造成設(shè)備損壞或人身傷亡。

1 實(shí)際案例概況

XX項(xiàng)目是中國(guó)銅冶煉行業(yè)一次性投資規(guī)模最大的項(xiàng)目。試生產(chǎn)過(guò)程中,兩臺(tái)剛更換并投運(yùn)的二氧化硫風(fēng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的干擾現(xiàn)象:每次無(wú)論起動(dòng)任何一臺(tái)S02風(fēng)機(jī),硫酸中控室的DCS監(jiān)控畫(huà)面會(huì)出現(xiàn)劇烈閃爍,大部分狀態(tài)無(wú)顯示或顯示混亂、報(bào)警:如溫度無(wú)顯示,閥門(mén)狀態(tài)出現(xiàn)改變。起動(dòng)(約40秒)完成后溫度顯示恢復(fù)起動(dòng)前的數(shù)據(jù),報(bào)警大部分消失,閃爍消失;閥門(mén)狀態(tài)顯示未返回,但與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不相符,特別是凈化車間事故閥等因控制受到干擾自動(dòng)打開(kāi),嚴(yán)重影響生產(chǎn)。電力保護(hù)設(shè)備記錄的信息是在起動(dòng)SO2風(fēng)機(jī)過(guò)程中母線的瞬時(shí)壓降值約92%,起動(dòng)電流近1 250 A,起動(dòng)時(shí)間為39秒。由于試生產(chǎn)已開(kāi)始,設(shè)備不能停止,故需緊急處理,打通生產(chǎn)流程。

總包方召集相關(guān)方人員對(duì)上述故障所涉及的范圍進(jìn)行了梳理。該系統(tǒng)主要組成為高壓起動(dòng)柜、10k V高壓電纜,受電設(shè)備是10 k V鼠籠式電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式風(fēng)機(jī):功率3 650 kW、額定電流239 A、電機(jī)進(jìn)線端帶0.25 uF的容性負(fù)載防浪涌保護(hù)器共3組。其余部分為:設(shè)備本體上安裝的進(jìn)口品牌的X公司的壓力、溫度、振動(dòng)等儀表及變送器,PLC控制柜是西門(mén)子S7-1500系列產(chǎn)品,DCS系統(tǒng)為艾默生公司產(chǎn)品,控制、儀表及通訊電纜采用了ZR-KVVRP、Profibus DP的A類專用電纜AWG、FF總線的A類電纜AWG及多模非金屬松套層式光纜等,以及相關(guān)的接地系統(tǒng)、電纜橋架及保護(hù)管等。

2 故障原因

本起動(dòng)設(shè)備是以3相共15組反并聯(lián)的ABB晶闡管為基本單元,利用晶閘管的電子開(kāi)關(guān)特性,通過(guò)起動(dòng)設(shè)備中的單片機(jī)控制其觸發(fā)脈沖來(lái)改變觸發(fā)角α角的大小(原理如圖1所示),從而改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間,設(shè)備輸出電壓按一定規(guī)律上升,使被控電動(dòng)機(jī)的電壓由零升到全電壓,轉(zhuǎn)速相應(yīng)地由零平滑加速到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)程。

圖1 觸發(fā)脈沖延遲角改變?cè)韴D(晶閘管觸發(fā)輸出電壓波形圖)

這是綜合電力電子技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù),將強(qiáng)電和弱電結(jié)合起來(lái)的控制技術(shù)。但由于晶閘管是典型的非線性器件,正常的正弦電壓加在非線性的設(shè)備上,會(huì)產(chǎn)生非正弦電流,由此形成諧波。從其工作原理來(lái)看是無(wú)法從根本上完全消除產(chǎn)生的高次諧波,除非采用水阻式起動(dòng)或高壓干式調(diào)壓軟起動(dòng)(即磁移式)等不產(chǎn)生諧波的設(shè)備來(lái)滿足本項(xiàng)目的要求。該起動(dòng)設(shè)備即是產(chǎn)生高次諧波的干擾源。此外,起動(dòng)過(guò)程中電流較大且變化劇烈,電流產(chǎn)生的磁效應(yīng)見(jiàn)式1。

根據(jù)式1及上述系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)得知,設(shè)備起動(dòng)時(shí)形成的磁場(chǎng)很大,且磁場(chǎng)因電流劇烈變化而變得很不穩(wěn)定。這個(gè)很不穩(wěn)定的大磁場(chǎng)對(duì)處在同一工作環(huán)境中的各種電子、電氣線路,因距離過(guò)近而產(chǎn)生相互影響或相互耦合,形成電磁干擾。這是典型的起動(dòng)設(shè)備在降壓起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高次諧波干擾與大電流在劇變時(shí)產(chǎn)生極不穩(wěn)定的強(qiáng)磁場(chǎng)所引起的電磁干擾故障。更換成其他形式的起動(dòng)器、或大規(guī)模更換成諧波治理的專業(yè)設(shè)備(如加進(jìn)線AC電抗器、出線采用DC電抗器或正弦濾波器類設(shè)備,或采用零序電抗器、電涌吸收器/抑制器等)、或增加大型設(shè)備進(jìn)行改造等方案,都難以滿足現(xiàn)場(chǎng)緊急處理的要求,故應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況從抑制諧波和減少電磁干擾方面采取有效的應(yīng)急措施。

3 干擾的傳播方式、危害及影響范圍

高次諧波與電磁干擾一起產(chǎn)生,且傳播途徑基本一致。高次諧波的傳播途徑為傳導(dǎo)、電磁輻射和感應(yīng)耦合。

3.1 傳導(dǎo) 傳導(dǎo)是指高次諧波按著各自的阻抗分流到電源系統(tǒng)和并聯(lián)的負(fù)載,對(duì)并聯(lián)的電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。傳輸電路可包括導(dǎo)線、設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容和互感元件等。該故障的傳導(dǎo)分三個(gè)層次:一是高壓部分,即高次諧波從干擾源開(kāi)始,通過(guò)“軟起動(dòng)器—高壓電纜—高壓電機(jī)”回路直接傳導(dǎo),接著與軟起動(dòng)器連接整個(gè)高壓系統(tǒng)設(shè)備(如連接的變壓器等);二是低壓部分,即變壓器后的各低壓配電網(wǎng)絡(luò)及通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給各低壓用電設(shè)備(如PLC及DCS供電的UPS電源等);三是弱電系統(tǒng),包括PLC、DCS系統(tǒng)及與其相連的儀表和自動(dòng)化等弱電設(shè)備及其連接的弱電電纜和保護(hù)體等。

3.2 感應(yīng)耦合 感應(yīng)耦合是指在傳導(dǎo)過(guò)程中與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線產(chǎn)生電磁耦合形成的感應(yīng)干擾。這些通過(guò)電磁感應(yīng)方式感應(yīng)的電流干擾及靜電感應(yīng)方式感應(yīng)的電壓干擾,最終通過(guò)其連接電路到達(dá)了各設(shè)備,如PLC及DCS供電的UPS電源及PLC及DCS本身,也同時(shí)干擾到了與之相連的壓力、溫度等儀表及電動(dòng)閥、執(zhí)行器等弱電設(shè)備,這些干擾因素多層次疊加后相互影響,強(qiáng)電、弱電在同一區(qū)域時(shí)對(duì)弱電系統(tǒng)造成的干擾尤其劇烈和明顯。

3.3 電磁輻射 電磁輻射是指起動(dòng)器輸出端的高次諧波產(chǎn)生的輻射通過(guò)空中輻射方式,即以電磁波方式向空中輻射,對(duì)鄰近的無(wú)線電及電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾。這是高次諧波最主要的危害方式,可干擾PLC、DCS、壓力溫度等儀表及電動(dòng)閥的執(zhí)行器等,也同樣干擾起動(dòng)器本身。

3.4 電磁干擾 電磁干擾是指電磁能量對(duì)電流回路、儀器、系統(tǒng)或生命組織造成的影響[1]。

電磁干擾造成的各種損失是通過(guò)電氣儀表裝置有效性能或技術(shù)指標(biāo)下降來(lái)體現(xiàn)的,即各種信號(hào)受到電磁干擾時(shí)會(huì)發(fā)生畸變失真,嚴(yán)重時(shí)可完全被電磁干擾淹沒(méi)。電磁干擾使數(shù)字系統(tǒng)誤碼率增大,系統(tǒng)降低了信息的可靠性,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤和信息丟失,如該案例中系統(tǒng)出現(xiàn)閥門(mén)動(dòng)作等錯(cuò)誤和溫度等信息丟失。傳統(tǒng)電子設(shè)備和儀器儀表中有許多是指針式的,電磁干擾會(huì)使指針指示錯(cuò)誤、抖動(dòng)和亂擺,擾亂系統(tǒng)使用功能,具有較大危害性。

產(chǎn)生電磁干擾一般存在干擾源、傳播途徑及敏感設(shè)備三個(gè)因素,具有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種形式。傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)上的線路、處理器、轉(zhuǎn)換設(shè)備及輸出設(shè)備因強(qiáng)大的干擾最后都變成輻射的干擾源,尤其在頻率很高的情況下,電纜金屬外皮及與之相連的有金屬裸露的金屬體都表現(xiàn)非常明顯,能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作,其影響范圍較大。

4 解決措施

高次諧波和電磁干擾傳播途徑多、危害嚴(yán)重且影響范圍大,針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,制訂了如下快速應(yīng)急的解決方案。

4.1 隔離措施 因采用單獨(dú)的隔離變壓器對(duì)其供電在時(shí)間上來(lái)不及,故從附近空壓站的高壓供電系統(tǒng)下引入380 V回路作為PLC、DCS、壓力溫度等儀表、電動(dòng)閥的執(zhí)行器等弱電系統(tǒng)前端電源及起動(dòng)柜的控制電源。另外在重要和敏感的儀表回路上采用了切斷地環(huán)路以提高抗干擾能力的信號(hào)隔離器。

4.2 系統(tǒng)內(nèi)電纜敷設(shè)及其保護(hù)體的處理 把電纜橋架內(nèi)的不同電壓等級(jí)及不同用途(電力、控制及信號(hào)電纜等)的電纜分層、拉開(kāi)距離或加隔離板隔離后進(jìn)行敷設(shè),在出橋架時(shí)采用鍍鋅鋼管進(jìn)行保護(hù),同時(shí)檢查鍍鋅鋼管與橋架對(duì)接處、分線盒及拐彎處的安裝是否符合要求。金屬軟管應(yīng)盡量少接頭,和對(duì)應(yīng)的設(shè)備連接時(shí)要采用專用接頭,尤其要注意在拐彎處要固定好、電纜兩端的接線要牢固可靠等相關(guān)事項(xiàng)。

4.3 檢查接地設(shè)施、設(shè)備及接地保護(hù)措施 檢查接地設(shè)備、接地干線、接地引下線、接地樁及避雷網(wǎng)等組成的防雷接地系統(tǒng)是否連接正確且安全可靠,弱電系統(tǒng)的接地阻值是否不超過(guò)lΩ。

由于該案例中的電氣儀表是一個(gè)相當(dāng)大的系統(tǒng)且各種接地與保護(hù)復(fù)雜,常有大量的不平衡電流流入接地系統(tǒng)。根據(jù)弱電系統(tǒng)設(shè)備的安裝要求,為確保儀表自動(dòng)化系統(tǒng)的獨(dú)立性,采用配置獨(dú)立的PLC及DCS接地網(wǎng),而未采用與其它電氣系統(tǒng)接地共用的原設(shè)計(jì)方案。經(jīng)改造后效果較好,說(shuō)明接地系統(tǒng)的可靠性對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力影響較大。

重點(diǎn)檢查PLC、DCS及儀表等弱電部分的兩個(gè)接地系統(tǒng),確保其功能正常。其中保護(hù)接地是將平時(shí)不帶電的金屬部分(如PLC/DCS的柜體、操作臺(tái)外殼、壓力溫度等儀表設(shè)備及電動(dòng)閥的執(zhí)行器等電氣設(shè)備外殼等非正常帶電的部分均按要求進(jìn)行保護(hù)接地)與地之間形成良好的導(dǎo)電連接,以保護(hù)設(shè)備和人身安全。所以當(dāng)進(jìn)入DCS系統(tǒng)的信號(hào)、供電電源或DCS系統(tǒng)設(shè)備本身出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),能有效地承受過(guò)載電流并可以迅速將過(guò)載電流導(dǎo)入大地。而工作接地為DCS提供屏蔽層,消除電子噪聲干擾,并為整個(gè)控制系統(tǒng)提供公共信號(hào)參考點(diǎn),即參考零電位。工作接地能消除電子噪聲干擾,能使DCS以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測(cè)量和控制精度而設(shè)的接地,這是儀表系統(tǒng)抗干擾的根本保證措施。所以,針對(duì)性地檢查其邏輯地、信號(hào)地、系統(tǒng)地和屏蔽地,而且從兩個(gè)重點(diǎn)入手:

(A)以電源卡為單位串聯(lián),在中心機(jī)柜的電源分配模件中與保護(hù)地連接,最終接入接地系統(tǒng)匯流排,由匯流排再接入DCS等專用的接地地網(wǎng)。

(B)屏蔽地中電纜的接地。電磁屏蔽是解決電磁兼容問(wèn)題的最重要手段,其最大的好處就是不影響電路的正常工作,而且屏蔽材料直接影響屏蔽效能,所以在線路距離較長(zhǎng)或干擾嚴(yán)重時(shí)則采用抗干擾能力強(qiáng)的電纜,如把重要回路上的KVVRP電纜換成雙蔽的雙層銅箔或鋁箔層的計(jì)算機(jī)電纜,經(jīng)此更換后,閥門(mén)自動(dòng)打開(kāi)的故障就基本上消除了。另外檢查電氣電纜屏蔽線的二端接地和檢查儀控電纜屏蔽層必須一端接地,以防止形成閉合回路干擾;檢查鎧裝電纜的金屬鎧不應(yīng)作為屏蔽保護(hù)接地,必須是銅絲網(wǎng)或鍍鋁等屏蔽層的接地。在此項(xiàng)檢查中發(fā)現(xiàn)不少混亂的情況,整理后部分線路的干擾情況得到了明顯的改善。

4.4 對(duì)軟件系統(tǒng)采取的相應(yīng)的措施 在控制系統(tǒng)中,由于干擾頻譜較廣,干擾源較多,影響復(fù)雜,僅依靠硬件抗干擾無(wú)法徹底解決問(wèn)題,故在以下四個(gè)方面加強(qiáng)軟件的抗干擾措施:

(1)采用數(shù)字濾波技術(shù)消除模擬輸入信號(hào)的嗓聲,即采用數(shù)字信號(hào)的軟件,通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序來(lái)減少干擾在有用信號(hào)中所占比重的抗干擾措施。

(2)應(yīng)用開(kāi)關(guān)量的軟件多次重復(fù)采集,直到連續(xù)幾次結(jié)果完全一致的信號(hào)方有效,以去除呈毛刺狀的輸入干擾信息而提高抗干擾能力。

(3)重復(fù)在短時(shí)間內(nèi)輸出同一數(shù)據(jù),使外部設(shè)備接收到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信號(hào)后,還來(lái)不及做出有效的回應(yīng),一個(gè)正確的輸出信息又到來(lái),就可及時(shí)防止錯(cuò)誤動(dòng)作的產(chǎn)生。另外采用抗干擾編碼等措施來(lái)提高輸出數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力。

(4)采用復(fù)位、掉電保護(hù)、指令冗余、防軟件陷阱及看門(mén)狗技術(shù)等對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行處理、自動(dòng)恢復(fù)程序的設(shè)計(jì)功能,完善和加強(qiáng)CPU及程序的抗干擾能力。

4.5 其他防干擾針對(duì)性措施 盡量縮短電纜敷設(shè)的長(zhǎng)度,把一些不合理的路徑進(jìn)行優(yōu)化而縮短;在重要或敏感設(shè)備或距離較長(zhǎng)的儀表回路上增加信號(hào)終端電阻,通過(guò)增大負(fù)載達(dá)到減小回波反射的目的。由于本項(xiàng)目的電機(jī)進(jìn)線端有防浪涌電容,故在其起動(dòng)柜出線上增加電感,也對(duì)防止晶閘管因容性負(fù)載作用導(dǎo)致的反向擊穿起到了很好的保護(hù)作用。由于在接通或者斷開(kāi)電感線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生高電壓,所以在一些重要回路的繼電器上反向連接1個(gè)二極管可以減輕電磁干擾。另外,在低壓大電流回路的接觸器上,增加由適當(dāng)參數(shù)的電阻和電容組成的輔助觸頭回路以抑制電流引起的干擾。

5 效果

上述應(yīng)急方案實(shí)施后,硫酸中控室的DCS監(jiān)控畫(huà)面干擾及閥門(mén)狀態(tài)不正常等故障被徹底消除。總包方在項(xiàng)目管理及技術(shù)方面具有的優(yōu)勢(shì),確保了生產(chǎn)流程通暢。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)設(shè)備選型、采購(gòu)產(chǎn)品的質(zhì)量及安裝調(diào)試時(shí)的質(zhì)量等各個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)電儀自動(dòng)化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)產(chǎn)生重要的影響,而最基本和最主要的抗干擾措施是從抗和放兩方面入手,其總體原則是抑制和消除干擾源,切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道,降低系統(tǒng)干擾信號(hào)的敏感性。具體措施可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。只有充分考慮好系統(tǒng)的電磁兼容性,并對(duì)具體問(wèn)題采取針對(duì)性措施進(jìn)行處理,可以把電儀自動(dòng)化系統(tǒng)中的干擾降到最低。實(shí)踐證明,以上提出的各種抗干擾技術(shù)和措施具有簡(jiǎn)單易行,成本較低,修改方便,通用性強(qiáng),可靠性高,抗干擾效果顯著,具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。