影響DCS系統信號穩定的問題探討及對策

馬孝貴

（山西晉煤天源化工有限公司，山西 高平 048400）

煤化工生產中集散控制系統（DCS）的穩定性對化工廠的安全穩定運行起著至關重要的作用。DCS 的控制功能涵蓋了化工廠的模擬量控制系統、開關量邏輯系統、順序控制系統、復雜調節系統和外圍的輔控系統等，系統各環節信號的穩定運行及抗干擾措施是否合理到位，直接影響系統的可靠運行，甚至會造成生產裝置的安全事故。為此，控制系統各個環節信號的穩定運行及抗干擾措施的科學合理設計和實施顯得尤為重要。

本文針對某公司由于離心壓縮機組本特利3500 軸位移及軸振動信號受干擾，造成離心壓縮機組停車[1]；西門子PCS7-400DCS 控制系統重要模擬量信號受干擾，造成凈化和合成工段非正常停車兩起事件，分析了西門子PCS7-400DCS 系統干擾信號產生的原因，提出了離心機組3500軸振動位移監測系統與西門子PCS7-400DCS 控制系統信號穩定運行的對策并予以實施。

1 事件原因過程檢查

1.1 離心壓縮機軸振動及軸位移信號受干擾引起機組跳車

某公司某離心壓縮機在停車檢修后開車期間，汽輪機沖轉正常進行，期間機組在無任何報警信息及異常的情況下突然跳車。查看歷史趨勢及SOE 第一報警記錄，顯示跳車第一事件報警信號為機組軸位移高高聯鎖，且歷史趨勢顯示壓縮機兩端軸位移及軸振動同一時間劇烈波動。由于機組軸振動未設置聯鎖，只有軸位移設置停機聯鎖，并達到聯鎖值，造成機組停車。因軸位移信號先進入到本特利3500 控制器，同時通過通訊將信號傳輸至ITCC 控制系統進行顯示、報警，兩套系統同時進行信號監測，同時發生大幅度波動，超過了聯鎖定值。因為該套機組的位移聯鎖邏輯為二取二，即3500 控制系統與ITCC 控制系統同時指示高高聯鎖動作，并不是單邏輯保護。

通過歷史曲線可以觀察到兩端的軸位移及軸振動共同出現了大幅度的波動及數值跳變，但實際情況下機組正常運行的工況以及各工藝指標、參數分析離心機兩端軸位移及軸振動出現大幅度波動及數值跳變的情況幾乎不可能，基本判斷軸振動及軸位移受到干擾。進一步排查軸振動及位移的信號通訊電纜，軸振動及軸位移測點信號是用24 芯帶屏蔽同一根電纜從現場中間接線箱傳至3500 監測系統控制柜的，這條信號電纜在3500 監測機柜側屏蔽線已接地，同時檢查現場接線箱端子排處屏蔽線絕緣膠帶包裹并懸空，這樣就避免了兩端接地造成共模干擾的可能性。為了找到事故根源，徹底解決干擾源，在與機組操作工及工藝生產管理人員協商后，工藝人員加強監盤操作；同時儀表人員摘除相關的軸位移高高聯鎖，共同做好相關的應急處理措施后，工藝重新啟機同時儀表檢修人員使用高頻信號發生器等專用設備在3500 監測系統卡件處和現場中間接線箱接線端子處發射出模擬射頻干擾源，并沒有發現軸位移及軸振動有大幅度波動及數值跳變的情況。隨后，進一步詢問現場工藝人員，了解到軸位移及軸振動大幅波動的時候，工藝正在檢修機組冷凝液泵，處于試車階段，有啟動高壓設備的情況。

隨即對軸位移及軸振動測點24 芯屏蔽信號電纜進行檢查，發現現場儀表鍍鋅穿線管在進入橋架一側有磨損破皮現象，同時信號電纜屏蔽線與鍍鋅穿線管完全連接，從而造成多點接地，并且在電纜橋架處發現儀表信號線與高壓動力電纜有交匯的現象，隨后儀表檢修人員對儀表信號線重新規整與動力電纜分開敷設，并將24 芯儀表信號電纜屏蔽層進行處理并用絕緣膠帶重新徹底包裹。處理后恢復軸位移高高跳車聯鎖，觀察多日，軸位移及軸振動測點均顯示正常，未發生軸位移及軸振動大幅度波動的現象。由此判斷，現場高壓設備瞬間啟動電流對軸位移及軸振動信號造成了干擾。

1.2 DCS系統信號干擾引起凈化、雙甲工段停車

某公司一次氨合成系統非正常停車，工藝DCS 操作人員反映在停車前凈化、雙甲工段重要的調節回路信號指示出現劇烈波動，并且西門子PCS7-400DCS 系統數值顯示出現虛假偏高假象，由此可初步判斷DCS 系統信號受到了外界較強的干擾。

以上波動的信號全部為冗余信號，且西門子PCS7-400DCS 系統冗余的實現全部是將IO 模塊分布在不同的機柜及不同的站上，及站的不同卡槽上，雖然冗余的系統同時出現故障的概率幾乎沒有，但是檢修人員首先還是對PCS7-400DCS 系統進行了全面檢查，分別排查了冗余卡件通道、冗余接線器、冗余通訊卡件、冗余網絡交換機及網線、冗余24V 直流電源模塊等，對DCS 系統內部進行全面排查，均未發現異常[4]。由于大幅度波動信號主要發生在凈化系統脫碳塔及汽提塔液位調節及壓力處，與雙甲工段甲醇分離器液位及壓力調節處，現場檢查各裝置測點的壓力檢測變送裝置（EJA 變送器）、液位檢測變送裝置（羅斯蒙特法蘭式差壓變送器），信號電纜的絕緣措施、屏蔽接地措施等均未發現異常情況。隨后儀表人員現場采用標準信號發生器將信號傳輸到DCS 處進行打點試驗，觀察到DCS 顯示仍然有波動的情況，從而進一步判斷出標準信號在傳輸過程中受到了干擾。現場檢查發現在DCS 信號出現劇烈波動時，設備檢修人員正在進行電焊作業，作業的工作電源為電氣檢修的380V 臨時電源，且電焊機接地線搭接在儀表穿線管支架角鐵上。因此，能更加明確地判斷到電焊機在工作時電源存在干擾，且電源干擾以電磁波的方式串入到DCS 信號的測量回路中，從而造成信號波動及信號疊加的情況。為了進一步證明判斷的是否準確，在確保系統能安全運行，并做好充足的應急處置預案、措施及實施辦法后，開始電焊作業。DCS 測量信號又出現劇烈波動，并且數值有疊加顯示偏高的假象。斷開電焊機接地現場停止作業后，DCS 測量信號恢復正常。隨后儀表檢修人員對現場施工檢修作業的電焊機接地進行了檢查處理，同時檢查并發現儀表電子間接地總引線與接地網接地扁鐵連接處接線端子有銹蝕現象，且接地網的阻值偏高，對接地扁鐵進行打磨防銹處理，并重新壓制接線端子進行可靠連接后恢復正常。由此判定，電焊機工作時電流對DCS 采集信號的傳輸造成了干擾。

2 事件原因分析

由于DCS 系統采集的信號一般都是微弱的電流信號，這種微弱的電流信號需要經過從現場到控制系統這樣長距離的傳輸，對于DCS 系統來說，干擾信號的來源主要是電阻耦合引入的干擾，電容電感耦合引入的干擾，計算機供電線路上引入的干擾，雷擊造成的干擾。這些干擾信號疊加或串入到DCS 信號后，會對DCS 的采集信號產生干擾，采集信號就會出現不同程度的波動及跳變等現象。因此，現場設備中的諸如高壓電氣設備產生較強的電磁場和電磁波輻射，馬達設備產生的強磁場都會以不同方式串入到DCS 系統中。因此，對DCS 系統造成了強烈干擾，出現虛假指示的假象。

3 提升DCS系統信號穩定的對策與影響

3.1 信號電纜對DCS系統穩定運行的影響

DCS 系統采集的信號電纜必須使用帶屏蔽的雙絞線，這樣可以提高DCS 系統的抗干擾能力，并且DCS 模擬量信號和開關量信號電纜不能和動力電纜及其他電纜一起存在于同一電纜槽中，信號電纜應單獨使用儀表橋架和電纜保護穿線管。所以在DCS 信號電纜布線過程中，應注意將不同類型的信號線分開鋪設，特別是動力電纜與信號電纜應分布在不同的電纜橋架內。

3.2 正確使用與完善接地對DCS系統穩定運行的影響

在DCS 系統中，干擾是指串入或者疊加在系統電源、信號線上的與采集信號無關的電信號，干擾會造成DCS 系統測量的誤差，嚴重的干擾甚至有可能造成系統停車和設備損壞。DCS 系統的接地處理是信號抗干擾最有效的方法，接地可以理解為一個等電位點或等電位面，作為電路或系統的基準電位，但不一定就是大地電位。保護接地必須在大地電位上，信號地線可根據實際情況設計并不一定就是大地電位。

接地的作用可以劃分為兩種：一種是指為了保護人身安全和設備運行不受損害的接地措施叫作保護接地。保護接地就是在DCS 系統中的金屬外殼都處于大地點位，以此起到保護設備和人身安全的目的，所以必須確保金屬外殼和地之間形成回路，除此保護接地還可以防止靜電的目的。保護地線應接至廠區電氣接地網或設備所在地的建筑地上，接地電阻應小于4Ω。保護接地又分為防電擊接地、防雷接地和防電蝕接地[2]。另一種是功能性接地：功能性接地是為了提高系統的抗干擾，為了使DCS 以及與其所連接的儀表可靠運行。一般來說，功能性接地可以分為工作接地、邏輯接地、信號回路接地、屏蔽接地。

工作接地：為了保證電力系統運行，防止系統震蕩，保證繼電保護的可靠性，在直交流電力系統的適當地方進行接地。

邏輯接地：為了確保穩定的參考電位，將電子設備中的適當金屬件作為邏輯地，一般采用金屬底板作邏輯地。

信號回路接地：是各儀表設備，測量變送裝置的負端接地，開關量信號的負端接地等；信號回路地是DCS 系統對外界信號輸入、輸出的信號基準參考電平，為了減少干擾電平對信號回路的影響，統一基準電平的前提是現場的信號源裝置及DCS 系統的IO 電路對地處于同一電位。

屏蔽接地：也稱為模擬地，將電氣干擾源引入大地，抑制外來電磁干擾對電子設備的影響，也可減少電子設備產生的干擾影響其他電子設備[3]。這種接地方法可以屏蔽DCS 采集信號傳輸所受到的干擾，提高采集信號的質量和精度。

4 實施效果

DCS 控制系統信號穩定運行及干擾是一個十分復雜的問題，本文僅以某公司兩起事件介紹了DCS 控制系統信號穩定運行及干擾產生的原因及應對對策，通過正確分析DCS 系統運行時干擾源的來源、種類、易存在干擾源的部位，及如何應對干擾對DCS 控制系統的影響，綜合運用接地及隔離等對策，保證DCS 系統及本特利3500 軸瓦監測系統安全穩定運行，高效發揮DCS 控制系統在化工生產過程中的監視、控制等作用。