煤制烯烴項目中儀表監控系統抗干擾技術的應用

楊紹軍

(國家能源集團神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

隨著自動化技術在現代煤化工企業的應用與發展，儀表監控系統(以下簡稱儀表系統)在煤化工企業的重要性不斷提高。煤制烯烴項目的儀表系統具有設備多、安裝地域廣、輸入/輸出接口多、傳輸電纜多且長等特點，其工作環境中會有各種各樣的噪聲，而噪聲又會通過各種耦合途徑干擾儀表系統的正常工作。

提高儀表系統的抗干擾能力，也就是提高儀表系統的穩定性、可靠性，這是煤化工企業安全平穩生產的重要保障。要提高儀表系統的抗干擾能力，除了在設計和生產時考慮各種抗干擾措施外，更重要的是改進實際應用中的抗干擾技術。本文主要介紹了儀表抗干擾技術在實際應用中的幾種解決方案。

1 項目概況

煤制烯烴項目是以煤為原料，通過煤氣化制甲醇、甲醇轉化制烯烴、烯烴聚合生產聚烯烴產品的特大型煤化工項目。工廠包括甲醇、烯烴、熱電和公用工程等四個主要生產中心。其中，甲醇中心包括氣化、凈化、合成、硫磺回收和甲醇罐區這五套生產裝置，烯烴中心包括甲醇制低碳烯烴(methanol to olefins， MTO)、烯烴分離、聚丙烯、聚乙烯、混合C4、烯烴罐區這六套生產裝置，熱電中心包括鍋爐、汽輪機、化學水、脫硫脫銷、卸儲煤這五套生產裝置，公用工程中心包括凈水、循環水、污水、火炬、裝卸棧臺這五套生產裝置。MTO是該項目的核心裝置，是傳統煤化工與石油化工結合的“橋梁”[1]。

2 儀表監控系統存在的干擾問題

2.1 MTO和烯烴分離裝置存在的儀表干擾問題

MTO和烯烴分離裝置的分散控制系統(distributed control system，DCS)采用的是霍尼韋爾公司的過程知識系統(experion process knowledge system，EPKS) 。近年來，MTO和烯烴分離裝置的DCS在裝置正常運行時，多次出現因短時間內控制器主從切換不暢而導致的控制器運行異常，造成了所有操作站的數據顯示中斷事故。

2.1.1 DCS控制器運行異常情況檢查

通過查詢MTO和烯烴分離裝置DCS的系統報警事件記錄，可以看到每次在控制器運行異常時，都會有多個控制器出現容錯以太網(fault tolerant ethernet， FTE) A/B接收故障。

2.1.2 DCS控制器運行異常原因分析

每次控制器出現異常后，儀表技術人員到現場進行檢查分析時，系統都已自動恢復正常了。這對儀表人員分析故障原因很不利。

儀表技術人員經過對控制系統的認真檢查和多次原因分析后，基本排除了控制系統本身存在問題的可能性，一致認為DCS操作站數據中斷是由于較強的外部干擾造成的。在2014年7月再次出現類似故障時，經與操作人員進一步溝通，得知當時在MTO裝置現場有焊接作業。工作人員至現場查看后，發現焊工將焊機的地線搭接在儀表電纜橋架上。

在儀表接地系統不完善的情況下，會把強的干擾信號引入DCS中，造成控制系統工作異常。依據儀表接地規范，對這兩個裝置儀表接地系統進行檢查，發現存在接地線不規范、接地線截面規格配置不科學等諸多問題。由此可以判斷出，焊機作業時通過儀表電纜橋架和儀表接地系統把較強的干擾信號引入到了DCS系統，是造成MTO和烯烴分離裝置DCS系統多次出現操作站顯示數據中斷的直接原因。

2.2 全廠儀表系統在抗干擾方面存在的問題

儀表系統的抗干擾方法一般包括完善的儀表接地、抗高頻干擾、電源和信號的隔離和濾波控制室屏蔽以及控制室靜電防護等[2]。本文主要研究前三種抗干擾方法的實施方案。

2.2.1 儀表工作接地的問題

科學、合理的接地是儀表系統抑制干擾的有效手段之一。儀表的工作接地包括信號回路接地和屏蔽接地[3]。針對MTO和烯烴分離裝置出現的強干擾問題，依據干擾源的干擾機理和相關標準規范，結合實際工作經驗，對全廠儀表系統的接地情況進行徹底的排查，共查出以下五類問題。

①接地不規范問題。

接地不規范問題如下：部分接地系統的接地導線規格不符合要求；部分接地導線過長；接地線、接地分干線、接地干線和接地總干線的截面規格分配不科學，不是逐級增大，甚至有顛倒配置的情況；部分接地匯流排、接地匯總板的規格不符合要求；工作接地匯流排的絕緣支架損壞；工作接地與保護接地在總接地板前沒有實現完全絕緣；儀表及柜內的保護接地、工作接地使用同一個匯流排；現場獨立設置的儀表柜內保護接地與工作接地匯總后，沒有按要求接到全廠的等電位接地網上；個別需要進行現場接地的儀表設備(如接地型熱電偶、PH計、電磁流量計等)，接地點不符合要求[4]；控制系統的24 V直流電源的負極存在不接地的情況。

②儀表電纜屏蔽問題。

儀表電纜屏蔽問題如下：個別儀表屏蔽電纜因屏蔽結構不符合相關要求，屏蔽效果差；個別儀表測量回路的屏蔽層存在非單點接地的情況；儀表接線箱內的電纜屏蔽層沒有在箱內進行跨接，甚至有的儀表回路從儀表接線箱到現場儀表設備連接的電纜沒有進行屏蔽；在控制室側接地的屏蔽電纜的接地存在“豬尾巴效應”[5]；需要在現場側對信號電纜屏蔽層進行接地的儀表，實際上是在控制室側接地的。

③電纜敷設問題。

電纜敷設問題如下：儀表信號電纜與電源電纜敷設在同一根電纜保護管中；儀表信號電纜橋架與電氣專業的電力電纜橋架平行敷設的間距不符合要求；電纜布線的路徑不合理，靠近電磁干擾源的設備。

④接地連接電阻問題。

接地連接電阻問題如下：個別接地點的接地連接松動；接地連接點銹蝕；未能及時發現安全儀表系統(safety instrument system，SIS)的漏地檢測器有報警信號。

⑤儀表電源問題。

儀表電源問題如下：儀表電源系統的零線(N)與保護零線(PE)未分開[6]。

2.2.2 儀表抗高頻干擾方面存在的問題

依據干擾源耦合機理，電容性耦合可以通過對儀表電纜屏蔽層單端接地進行有效抑制。對于電感性耦合、電磁場耦合，則要根據噪聲源的頻率確定有效的抑制手段。當干擾源頻率低于五倍的電纜截止頻率時，相應的電纜屏蔽層應進行單端接地；當干擾源頻率大于等于五倍的電纜截止頻率時，相應的電纜應進行兩端或多點接地。

一般情況下，電纜屏蔽層單端接地可以有效防范低頻干擾，電纜屏蔽層兩端或多點接地可以有效防范高頻干擾。

現場儀表在防高頻干擾方面存在以下問題。

①儀表電纜敷設路徑不科學。

②部分儀表電纜沒有進行全程屏蔽。

③電纜屏蔽層沒有實現兩端或多點接地，或相應的接地點未與全廠的等電位接地網進行可靠的電氣連接。

④電纜的內層屏蔽和外層屏蔽沒有實現完全隔離，電纜屏蔽層屏蔽單絲直徑或屏蔽率不符合相關規定要求。

⑤電纜橋架與儀表電纜鍍鋅穿線管之間、儀表電纜鍍鋅穿線管與防爆撓性管之間，以及防爆撓性管與儀表外殼之間沒有實現可靠的電氣連接。

2.2.3 隔離和濾波方面存在的問題

通過儀表電源、信號線，將信號源、電源里夾帶的噪聲干擾直接傳導給儀表電路的耦合方式，稱為導線的直接傳導耦合。這種耦合干擾是常見的干擾方式。

儀表系統在防止這種干擾方面，主要存在以下問題。

①儀表電源質量不高。

②信號回路抗干擾措施不完善。

③易受控制回路中變頻器等設備產生的高次諧波的干擾。

3 儀表系統抗干擾技術

噪聲通常是無法完全消除的。只要盡量減小噪聲，使它不再對儀表系統形成干擾，就可以達到抗干擾的目的。針對MTO和烯烴分離裝置DCS系統出現的強干擾問題，以及現場排查出的其他抗干擾方面存在的問題，依據干擾耦合機理和相關標準規范的要求，采取切實可行的抗干擾技術來解決儀表系統的干擾問題。

3.1 完善儀表工作接地系統

3.1.1 完善的接地技術

完善的接地技術包括：按要求更換符合要求的接地線、接地匯流排、接地匯總板；確保接地匯流排、匯總板等的絕緣支架完好；確保工作接地與保護接地在總接地板前實現完全絕緣；確保所有接地連線在接到接地匯流排、匯總板前絕緣良好；確保儀表所有的接地點與全廠等電位接地網已進行了可靠的電氣連接；確保現場儀表沒有利用輸送或儲存可燃性物料的設備或管線作為接地點；確保非浮空設計的24 V直流電源的負極可靠接地。

3.1.2 電纜屏蔽技術

電纜屏蔽技術包括：在條件允許的情況下，替換屏蔽效果不好的電纜；確保電纜內層屏蔽層在機柜間內可靠接地[7],對于要求必須在現場接地的儀表，電纜屏蔽層僅在現場接地；保證從機柜間到現場儀表設備的電纜屏蔽的電氣連續性和非接地點的對地絕緣性；盡量縮短機柜間內電纜伸出屏蔽層的長度；當屏蔽電纜途徑接線盒分斷或合并時，應在接線盒內將其兩端電纜的屏蔽層連接[8]。

3.1.3 電纜敷設技術

電纜敷設技術包括：確保控制系統電纜敷設遠離強電區、強磁設備，路徑合理[9]；儀表信號電纜不與電源電纜共用一個電纜保護管；儀表電纜橋架與電氣電纜橋架應盡量交叉敷設，無法避免平行敷設時，兩者的間距應符合儀表配管配線設計規范的相關要求。

3.1.4 科學的接地連接

科學的接地連接包括：檢查各接地點的接線情況，確保接地牢固、可靠，接地連接電阻小于等于1 Ω；檢查系統的漏地檢測器是否有報警，如果有報警，應及時采取措施予以消除。

3.1.5 規范的儀表電源

規范的儀表電源包括：確保儀表交流電源采用TN-S系統，保證N線與PE線除了在變壓器中性點共同接地外，兩線不再有任何電氣連接。供電電纜的敷設應選擇最短路徑，減少串入線路的干擾[10]。

3.2 儀表抗高頻干擾技術

儀表系統的高頻干擾源有很多，一般包括開關電源、變頻器以及自然界中的雷電，其中以雷電產生的干擾對儀表系統的影響最大。雷電干擾包括電容性耦合、電感性耦合和電磁場耦合。對于防雷電干擾，既要考慮防電容性耦合的單端接地措施，又要考慮防高頻電感性耦合、電磁場耦合的兩端或多點接地措施。依據相關標準要求，當電纜長度小于等于20 m時，應進行兩端接地；當電纜長度大于20 m時，應進行多點重復接地[11]。

3.2.1 屏蔽接地技術

采用雙層屏蔽分別接地的措施，內層屏蔽層單端接地，外層屏蔽層兩端或多點接地，所有接地線都與全廠等電位接地網進行可靠的電氣連接，以確保內、外屏蔽層相互絕緣且分別具有電氣連續性，而電纜完全處于屏蔽層的保護之內。雙層屏蔽電纜的外屏蔽層可采用以下方法實現。

①分屏加總屏電纜的總屏蔽層。

②金屬鎧裝電纜的金屬鎧裝層。

③敷設電纜的金屬電纜槽、金屬保護管。

④鋼筋混凝土結構的電纜溝等。

3.2.2 合理布線

①減少敷設電纜的感應環路面積。

②敷設的電纜盡量遠離高頻干擾源頭設備以及防雷引下線。

3.2.3 配備浪涌保護器

針對重要裝置區內的儀表電源、信號回路，應該在主電路空氣開關和熔斷器的負荷側采用共模接法，在三根相線和PE線之間，各自安裝一個過流保護器和一個浪涌保護器(surge protection device,SPD)，在N線和PE線之間安裝一個SPD。另外，當室外敷設的電纜長度大于50 m時，應該在線路兩側裝設SPD。

3.3 隔離和濾波技術

3.3.1 電源的屏蔽、濾波及隔離

非不間斷電源供電的儀表電源應采用合格的隔離變壓器，同時要求選用的開關電源的整流二極管反向恢復時間要短，以便減小開關電源的輸出噪聲；另外，開關電源本身應該進行屏蔽接地，電源線要合理布線，以減少線路分布電容的不一致性。

3.3.2 信號的濾波和隔離

無論是模擬信號，還是數字信號，都應該進行有效的濾波，這是避免導線直接傳導噪聲的常用方法。解決干擾問題的更有效辦法是對信號傳輸進行隔離。

3.3.3 抑制高次諧波

抑制高次諧波的干擾可以選用不產生高次諧波的變頻器，也可以采用具有光電隔離功能的輸出卡隔離變頻器產生的高次諧波，還可以在變頻器的給定輸入信號端并接一個電容器來濾除高次諧波。

4 結束語

儀表系統的干擾問題十分復雜，對生產造成的影響非常大，所以儀表抗干擾技術的研究和應用就顯得尤為重要。在采用科學、合理的抗干擾技術對排查出來的問題進行整改，并通過完善相關規章制度規范裝置區域內的施工作業后，沒有再出現因干擾造成儀表系統工作異常的情況，確保了煤制烯烴項目各裝置的安全、平穩、高效生產。

參考文獻:

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[11]中華人民共和國工業和信息化部.石油化工儀表系統防雷設計規范:SH/T3164-2012[S].2013.