信號隔離器在油田數字化PLC 控制系統中的應用

楊林(長慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000)

0 引言

長慶油田站場PLC 控制系統，主要實現站內監控點的數據采集、回路控制、故障連鎖和累計計算等功能，主要包括：模擬量采集，比如緩沖罐液位、外輸溫度、外輸液量、外輸壓力、收球筒溫度、收球筒壓力、三相分離器壓力等；RS485 信號采集，比如來油流量、外輸流量等；并實現根據緩沖罐液位來調節輸油泵的啟停、轉速和對外輸泵PID 參數的遠程調節。站場PLC控制系統內由DC24V 開關電源為溫度、壓力、液位等4-20MA模擬量傳感器提供工作電源，且多數并未進行隔離。而這樣的接線方式可能會造成同一模擬量采集模塊因為某一路模擬量傳感器DC24V 供電電源回路信號傳輸電纜或現場設備內部短路，而引起模擬量輸入信號電源共正或共負，進而導致同一模擬量采集模塊所有輸入信號數據采集異常[1]，嚴重的甚至可能燒毀采集模塊或造成供電電源損壞，從而影響整個PLC 控制系統穩定運行，特別是對于那些用于過程控制中需實施超限報警和連鎖啟停外輸泵的模擬量傳感器，比如緩沖罐液位。這樣來說，使用信號隔離器保證各個AI 采集模塊每一路模擬量信號供電電源安全、穩定、獨立，是非常有利于輸油場站的安全穩定運行的。在PLC 控制系統中，對于模擬量傳感器的測量精度和抗干擾能力也日益受到使用單位和設備維護單位的高度重視。

1 數字化PLC控制系統干擾分類及來源

PLC 控制系統在日常工作的時候會受到很多因素的影響。干擾源也具有各種類型。例如，干擾模式的不同，又可以分成共模干擾以及拆模干擾，拆模干擾，具體來說是指電磁場在信號之間進行耦合感應，或者是電路轉換的過程中不平和共模干擾，導致了電壓的形成，信號有所疊加，使得控制系統清澈度降低。共模干擾的產生具體是空間電磁輻射電網串入以及信號線之上的動態電壓不斷累積而成。共模電壓的電壓值特別高，如果電路經過的過程中有不對稱的情況，就會轉變成差模電壓，最終對信號的質量帶來影響，甚至會使相關的元件受到破壞。而干擾來源包含多個方面，通過分析，主要包含以下幾個方面：(1)空間輻射干擾：由無線電波、雷電、電力網絡等所產生，這種干擾情況相對比較復雜，具體從兩個層面來對系統造成干擾：其一，電路感應所帶來的輻射引起的干擾；其二通信線路感應所帶來的輻射而造成的干擾；(2)系統外線干擾：主要通過電源以及信號線引入這種干擾，屬于傳導干擾。一種情況下，PLC 電能具體通過建立電網進行提供，電網在電磁的影響下有感應電壓的產生。

2 4-20MA模擬量傳感器種類及常規接線方式

在長慶油田數字化PLC 控制系統中用于場站自動控制及監測的模擬量傳感器一般有緩沖罐液位、應急罐液位、外輸溫度、外輸壓力、收球筒溫度、收球筒壓力、三相分離器壓力、泵體溫度等傳感器[2]。其中相關液位、壓力、溫度傳感器信號直接關系到輸油泵啟動或停止操作，或關系到相關電動閥開、關動作。長慶油田站場PLC 控制系統內4-20MA 模擬量傳感器常規接線方式如圖1 所示。

圖1 線制模擬量傳感器常規接線圖

(1) 4-20MA 模擬量傳感器均為2 線制接線方式，需外部提供工作電源；

(2)為保證電源的安全性現場一般采用 DC24V，且一個PLC 控制機柜一般只安裝一個DC24V 開關電源，然后通過在各電源輸出回路設置熔斷器，使其主控制系統與子控制系統共用一個DC24V 電源模塊；

(3)在場站PLC 控制系統中，對于4-20MA 模擬量傳感器：在PLC 控制系統直接用二芯屏蔽電纜從DC24V 輸出“＋”端子排上引出1芯，接到模擬量傳感器“+”端；從模擬量輸入回路“+”端端子排上引出1芯接到各現地安裝的傳感器電源回路上，完成傳感器工作電源供電和模擬量信號輸入；該通道模擬量輸入回路“-”端直接與電源模塊輸出回路DC24V-端子連接，如來油壓力、輸油泵體溫度、緩沖罐液位傳感器等。

以上接線由于沒有采取有效的措施隔離模擬量傳感器DC24V 供電電源和模擬量信號輸入，便有可能造成以下危害：

同一模擬量采集模塊因為某一路模擬量傳感器DC24V 供電電源回路信號傳輸電纜或現場設備內部短路，而引起模擬量輸入信號電源共正或共負，進而導致同一模擬量采集模塊所有輸入信號數據采集異常，嚴重的甚至可能燒毀采集模塊或造成供電電源損壞，從而影響整個PLC 控制系統穩定運行，造成PLC 控制系統死機。

由于無有效隔離，且工作電源和信號傳輸采用同一根信號電纜，會造成模擬量傳感器的測量精度和抗工頻電磁干擾能力大大降低。

3 信號隔離器在4-20MA模擬量傳感器接線中的應用

信號隔離器具有隔離、配電、變送功能，輸入電流經過變換，輸出隔離的電流信號，實現了輸入、輸出、電源之間的三端隔離，可以給現場的變送器提供隔離的工作電源。有效保證了模擬量傳感器的測量精度和PLC 控制系統的安全穩定運行，解決了油田場站特殊環境下PLC 控制系統模擬量傳感器工作電源和信號輸入隔離，抗工頻電磁干擾和雷擊過電壓的危害。

信號隔離器為端子排型，輸入、輸出與電源端子在不同側，可以有效防止短路。在現場實際應用中，接線方式如圖2 所示。

圖2 現場用信號隔離器接線圖

(1)信號隔離器的輸入電源為DC24V，接PLC 控制系統內DC24V 專用端子；

(2)信號隔離器的輸入信號端子接2 線制4-20MA 模擬量傳感器；

(3)信號隔離器的輸出信號端子接PLC 控制系統內4-20MA模擬量模塊輸入端子。

通過控制系統內安裝信號隔離器，便可以實現4-20MA 模擬量傳感器工作電源和模擬量信號輸入的有效的隔離。

信號隔離器完全可以實現對增壓站現場無源模擬量的隔離， 由于信號隔離器的高強度隔離、配電、轉換和分配功能，有效地保證了PLC 控制系統內DC24V 電源模塊和AI 采集模塊的運行安全，避免了可能會造成的模塊擊穿或燒毀概率，其測量精度得到提高，抗工頻電磁干擾和雷擊過電壓的危害降到最低。

在實際應用中，有時候模擬量輸出信號需要擴展為兩路，同時傳輸給兩套不同PLC 控制系統，如井場油水井特種作業現場個別關鍵數據即要供作業區SCADA 系統實時監控，又要供現場作業機組監測系統使用，這時便可以采用信號隔離器進行擴展，即1 路4-20MA 模擬量信號輸入，經隔離器輸出2 路4-20MA 模擬量信號(圖3)，它有效地實現了現場相關數據控制、監測不同獨立系統的需求，減少了投資、簡化了二次接線、解決了電站現場傳感器安裝帶來的問題。

圖3 現場用信號隔離器實物圖

5 結語

在原有模擬量傳感器信號采集系統中加入信號隔離器的接線方式，在數字化服務大隊管轄區域部分撬裝PLC 系統中已采用，尤其是針對緩沖罐液位采集，取得了良好效果。目前在新投產的安控PLC 系統中也已批量投入使用，后期我們也將建議并拿出可行性方案對所有增壓站PLC 系統加裝信號隔離器。