石油化工儀表防雷接地系統設計與實現

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設計與實現

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，進行防雷接地系統的優化設計，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設計方法，基于麥克斯韋全電流定理，進行石油化工儀表防雷接地的電磁場分析，以雙運放LM358放大器為核心進行石油化工儀表防雷接地系統電路設計，主要包括了交流放大器設計、濾波器設計、檢波器設計和直流放大器設計，在檢波設計中采用8階高通濾波器(S3529)并聯，提高防雷接地系統的輸出運放性能，最后進行系統調試和電路測試；結果表明，采用該系統進行石油化工儀表防雷接地設計，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，較好地保護了石油化工儀表安全。

石油化工；儀表；防雷接地系統；濾波器；檢波器

0 引言

石油化工工業生產中，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提出了較高的要求，石油化工儀表是進行石油化工生產監測和測量的電子敏感元件，當受到雷擊時，如果沒有較為有效的接地系統，將會對儀表造成嚴重的損壞，因此研究石油化工儀表防雷接地系統設計方法，對提高石油化工儀表的防雷安全性，提高儀表和生產過程的安全性方面具有積極重要的意義，相關的系統設計方法研究受到人們的極大重視[1-2]。

隨著石油化工行業的高速發展，石化企業無論是在規模還和數量上都在不斷地增加，現代科學技術的快速發展，也推動著儀表體系更新換代的速度不斷加快，儀表系統的智能化、網絡化取得了巨大成績。然而，石油化工儀表系統所存在的普遍過壓和過流、耐受能力差、絕緣強度低，對電磁干擾敏感的弱點等等，影響了儀器儀表系統的正常工作。加強儀表設備必要的防雷保護措施,防止因雷擊而導致儀表設備的工作失靈，損害儀表設備的安全運行，保證石化企業安全生產具有積極意義。

石油化工儀表防雷接地系統的設計建立在對雷擊信息的檢測和濾波基礎上，對雷擊電流信號的探測分為觸發引信和非觸發引信兩種主要形式[3]，通過對石油化工儀表雷擊現場的電場強度測量和自適應檢波設計，實現防雷接地系統設計，文獻[4]中提出一種基于電涌過電壓保護器設計的儀表防雷接地系統設計方法，采用本機振蕩幅度調制進行防雷擊接地保護器設計，提高了對雷擊過程中的電涌過載失真，提高了誤差補償性能，但是該系統受到漏感和勵磁電感的影響較大，在受到較大強度的雷擊時保護性能不好。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設計方法，以雙運放LM358放大器為核心進行石油化工儀表防雷接地系統電路設計，主要包括交流放大器設計、濾波器設計、檢波器設計和直流放大器設計，最后進行系統測試分析，得出有效性結論。

1 石油化工儀表防雷現狀

石油化工產業DCS 系統是一套兼有生產模式和生產控制系統，這個系統在當前的石化生產中應用較為廣泛，系統中的儀表設備較多，可以說是整個石化工業生產流程的總指揮部，因此，能否保證這套系統正常運行也是關乎石化企業的生產和運行的關鍵。石化DCS 控制系統包含了電源、儀表等設備，在遭遇雷電時，現場儀表和智能儀表變化產生相應的雷電干擾，有可能會發生因雷電損害網絡和變送器的設備工作，而這些設備之間由于是相互的連通，一旦發生相互干擾就會導致儀表設備的整體癱瘓，嚴重的會導致整個控制系統發生故障，整個生產工程會被迫停工。

2 原理分析及防雷接地系統總體設計構架

2.1 防雷接地原理分析及設計對象描述

(1)

(2)

如果電磁場是諧變的，即：

(3)

把空氣介質當作良導體，則對導電媒質中的諧變電磁波進行電磁場分析，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)

依據非觸發系統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，以此為原理進行防雷接地系統電路設計。

2.2 石油化工儀表防雷接地系統設計總體構架

根據上述原理分析，得到石油化工儀表防雷接地系統的主要參數有：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的濾波器的頻率響應所決定，由放大器的動態范圍決定振幅特性，為了提高系統的抗干擾能力，要求石油化工儀表防雷接地系統有更大的動態范圍，防雷接地系統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設計思想描述為：對起伏的電磁信號進行放大、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的放大器總體放大倍數應該大于50 000倍。由于石油化工儀表防雷接地系統的有效信號頻率范圍為100～2 000 Hz，所以本接收機內部濾波器的通頻帶應設計為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范圍≥25 dB 的AGC。由于石油化工儀表防雷接地系統的有效信號頻率范圍為100～2 000 Hz，因此要求本文設計的防雷接地系統的高通濾波器幅頻響應曲線滿足圖1所示的幅值要求，低通濾波器幅頻響應曲線滿足圖2所示的幅值要求。

圖1 防雷接地系統的高通濾波器幅頻響應

圖2 防雷接地系統的低通濾波器幅頻響應

根據設計要求，本文進行設計的防雷接地系統的硬件模塊化設計。

3 系統的電路設計與實現

在上述進行系統總體設計和原理分析的基礎上，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設計方法，進行防雷接地系統的硬件設計，以雙運放LM358放大器為核心進行石油化工儀表防雷接地系統電路設計，主要包括交流放大器設計、濾波器設計、檢波器設計和直流放大器設計，基于MAX3491DSP芯片進行防雷接地系統的主控設計，石油化工防雷擊接地保護系統的收發轉換復位電路是實現匹配后大功率發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系統的輸出電壓在3.3 V，選用PCI9054作為運算放大裝置，引導ROM配置16位或者24位地址尋址，結合AD/DA轉換器經24倍頻進行數模轉換[7-8]，采用經典的運算放大器電路進行石油化工儀表防雷接地系統的交流放大器設計，計算交流放大器的放大倍數A2為:

(11)

設計A1=400，實測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的交流放大電路

設計的石油化工儀表防雷接地系統的有效頻率范圍為100～2 000Hz，因此在防雷接地系統的交流放大電路設計的基礎上，需要兩個8階的帶通濾波器級連續進行濾波電路設計，采用CMOS工藝制造的雙列直插式開關電容低通濾波器，設計一組七階橢圓函數低通濾波器，設計的濾波器電路的阻帶衰減> 51dB(當f>1.3fC 時)，在fcp= 3.579 5MHz時, 若選擇D5～D0= 110010，帶寬BW=1.06fc= 3 392Hz，通過計算全部low-Vt單元最大功率，進行石油化工儀表防雷接地系統的靜態和動態高通濾波，采用開關電容濾波器芯片S3528作為當D5～D0=110010 即 32時 , 確定S3529的D5D4D3D2D1D0=000001，濾波器的截止頻率fc= 2 905Hz，根據上述設計，得到石油化工儀表防雷接地系統的

濾波器電路設計如圖4所示。

圖4 濾波器電路設計

檢波器設計中采用一個8階高通濾波器進行級聯，組成一個高通檢波電路，實現對石油化工儀表防雷接地的檢波設計[9]，用普通的二極管檢波電路實現檢波,采用本機振蕩幅度調制方法實現防雷擊接地保護耦合控制，由D/A轉換器輸出的電壓信號在(0～4.095V)之間，依據洛倫茲法則，構建防雷擊接地保護電力控制功率放大器，確定輸入范圍為4V，假設防雷擊接地保護電路中的繞組為kf，采用“SS”型補償電磁耦合補償，由此構建防雷接地系統的檢波電路如圖5所示。

在檢波電路設計的基礎上，進行石油化工儀表防雷接地系統的直流放大器設計，防雷擊接地保護通過PCB連接成一個集成統一的整體，直流放大器采用UCC3895移相全橋PWM控制，通過CPLD產生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的檢波電路設計

圖6 防雷擊接地系統的直流放大模塊電路設計

最后進行整個系統的集成電路設計，從原理圖轉換到PCB圖，得到防雷擊接地系統的功能電路設計結果如圖7所示。

4 系統調試實驗分析

為了驗證本文設計的石油化工儀表防雷接地系統在實驗防雷接地防護中的應用性能，進行系統調試分析，當輸入雷擊信號Vi在100kV，頻率可變的正弦波，得到接地系統的輸入與輸出波形如圖8所示。

圖8 防雷接地系統電壓的輸入輸出波形

通過計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的測試數據結果描述見表1。

表1 測試數據

分析上述結果得知，檢波電路的輸出電壓Vo為零，對應于二極管D1的導通狀態，在VA由零變D2的導通電壓VD2期間，二極管導通電壓對檢波特性產生增益控制影響，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作用。

4 結束語

本文進行防雷接地系統的優化設計，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設計方法，基于麥克斯韋全電流定理，進行石油化工儀表防雷接地的電磁場分析，以雙運放LM358放大器為核心進行石油化工儀表防雷接地系統電路設計，系統硬件電路設計中主要包括交流放大器設計、濾波器設計、檢波器設計和直流放大器設計，測試結果表明，采用該系統進行石油化工儀表防雷接地設計，具有較好的高通濾波和低通濾波性能，測試結果滿足設計的技術指標，對石油化工儀表具有較好的防雷擊保護能力。

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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