電儀自動化系統抗干擾技術分析

長沙有色冶金設計研究院有限公司 湖南 長沙 410000

在現代的科學技術中,各領域、各學科之間跨領域相互影響和作用,推動著機電儀區域朝著電儀自動化一體化的方向飛速發展,而電儀自動化控制的設備在工作時產生的諧波及電磁信號(如電網波動、高壓設備開關的電磁輻射及高次諧波等)會擾亂控制系統的正常運行,輕則降低系統的精度,重則造成設備損壞或人身傷亡。

1 實際案例概況

XX項目是中國銅冶煉行業一次性投資規模最大的項目。試生產過程中,兩臺剛更換并投運的二氧化硫風機在起動時出現嚴重的干擾現象:每次無論起動任何一臺S02風機,硫酸中控室的DCS監控畫面會出現劇烈閃爍,大部分狀態無顯示或顯示混亂、報警:如溫度無顯示,閥門狀態出現改變。起動(約40秒)完成后溫度顯示恢復起動前的數據,報警大部分消失,閃爍消失;閥門狀態顯示未返回,但與現場實際不相符,特別是凈化車間事故閥等因控制受到干擾自動打開,嚴重影響生產。電力保護設備記錄的信息是在起動SO2風機過程中母線的瞬時壓降值約92%,起動電流近1 250 A,起動時間為39秒。由于試生產已開始,設備不能停止,故需緊急處理,打通生產流程。

總包方召集相關方人員對上述故障所涉及的范圍進行了梳理。該系統主要組成為高壓起動柜、10k V高壓電纜,受電設備是10 k V鼠籠式電機驅動的離心式風機:功率3 650 kW、額定電流239 A、電機進線端帶0.25 uF的容性負載防浪涌保護器共3組。其余部分為:設備本體上安裝的進口品牌的X公司的壓力、溫度、振動等儀表及變送器,PLC控制柜是西門子S7-1500系列產品,DCS系統為艾默生公司產品,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,以及相關的接地系統、電纜橋架及保護管等。

2 故障原因

本起動設備是以3相共15組反并聯的ABB晶闡管為基本單元,利用晶閘管的電子開關特性,通過起動設備中的單片機控制其觸發脈沖來改變觸發角α角的大小(原理如圖1所示),從而改變晶閘管的導通時間,設備輸出電壓按一定規律上升,使被控電動機的電壓由零升到全電壓,轉速相應地由零平滑加速到額定轉速的過程。

圖1 觸發脈沖延遲角改變原理圖(晶閘管觸發輸出電壓波形圖)

這是綜合電力電子技術與自動化控制技術,將強電和弱電結合起來的控制技術。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備上,會產生非正弦電流,由此形成諧波。從其工作原理來看是無法從根本上完全消除產生的高次諧波,除非采用水阻式起動或高壓干式調壓軟起動(即磁移式)等不產生諧波的設備來滿足本項目的要求。該起動設備即是產生高次諧波的干擾源。此外,起動過程中電流較大且變化劇烈,電流產生的磁效應見式1。

根據式1及上述系統設備的數據得知,設備起動時形成的磁場很大,且磁場因電流劇烈變化而變得很不穩定。這個很不穩定的大磁場對處在同一工作環境中的各種電子、電氣線路,因距離過近而產生相互影響或相互耦合,形成電磁干擾。這是典型的起動設備在降壓起動時產生的高次諧波干擾與大電流在劇變時產生極不穩定的強磁場所引起的電磁干擾故障。更換成其他形式的起動器、或大規模更換成諧波治理的專業設備(如加進線AC電抗器、出線采用DC電抗器或正弦濾波器類設備,或采用零序電抗器、電涌吸收器/抑制器等)、或增加大型設備進行改造等方案,都難以滿足現場緊急處理的要求,故應根據實際情況從抑制諧波和減少電磁干擾方面采取有效的應急措施。

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生,且傳播途徑基本一致。高次諧波的傳播途徑為傳導、電磁輻射和感應耦合。

3.1 傳導 傳導是指高次諧波按著各自的阻抗分流到電源系統和并聯的負載,對并聯的電氣設備產生干擾。傳輸電路可包括導線、設備的導電構件、供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容和互感元件等。該故障的傳導分三個層次:一是高壓部分,即高次諧波從干擾源開始,通過“軟起動器—高壓電纜—高壓電機”回路直接傳導,接著與軟起動器連接整個高壓系統設備(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絡及通過配電網絡傳導給各低壓用電設備(如PLC及DCS供電的UPS電源等);三是弱電系統,包括PLC、DCS系統及與其相連的儀表和自動化等弱電設備及其連接的弱電電纜和保護體等。

3.2 感應耦合 感應耦合是指在傳導過程中與變頻器輸出線平行敷設的導線產生電磁耦合形成的感應干擾。這些通過電磁感應方式感應的電流干擾及靜電感應方式感應的電壓干擾,最終通過其連接電路到達了各設備,如PLC及DCS供電的UPS電源及PLC及DCS本身,也同時干擾到了與之相連的壓力、溫度等儀表及電動閥、執行器等弱電設備,這些干擾因素多層次疊加后相互影響,強電、弱電在同一區域時對弱電系統造成的干擾尤其劇烈和明顯。

3.3 電磁輻射 電磁輻射是指起動器輸出端的高次諧波產生的輻射通過空中輻射方式,即以電磁波方式向空中輻射,對鄰近的無線電及電子設備產生的干擾。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閥的執行器等,也同樣干擾起動器本身。

3.4 電磁干擾 電磁干擾是指電磁能量對電流回路、儀器、系統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電氣儀表裝置有效性能或技術指標下降來體現的,即各種信號受到電磁干擾時會發生畸變失真,嚴重時可完全被電磁干擾淹沒。電磁干擾使數字系統誤碼率增大,系統降低了信息的可靠性,嚴重時會發生錯誤和信息丟失,如該案例中系統出現閥門動作等錯誤和溫度等信息丟失。傳統電子設備和儀器儀表中有許多是指針式的,電磁干擾會使指針指示錯誤、抖動和亂擺,擾亂系統使用功能,具有較大危害性。

產生電磁干擾一般存在干擾源、傳播途徑及敏感設備三個因素,具有傳導干擾和輻射干擾兩種形式。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網絡。系統上的線路、處理器、轉換設備及輸出設備因強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非常明顯,能發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作,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、危害嚴重且影響范圍大,針對現場實際情況,制訂了如下快速應急的解決方案。

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

4.2 系統內電纜敷設及其保護體的處理 把電纜橋架內的不同電壓等級及不同用途(電力、控制及信號電纜等)的電纜分層、拉開距離或加隔離板隔離后進行敷設,在出橋架時采用鍍鋅鋼管進行保護,同時檢查鍍鋅鋼管與橋架對接處、分線盒及拐彎處的安裝是否符合要求。金屬軟管應盡量少接頭,和對應的設備連接時要采用專用接頭,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事項。

4.3 檢查接地設施、設備及接地保護措施 檢查接地設備、接地干線、接地引下線、接地樁及避雷網等組成的防雷接地系統是否連接正確且安全可靠,弱電系統的接地阻值是否不超過lΩ。

由于該案例中的電氣儀表是一個相當大的系統且各種接地與保護復雜,常有大量的不平衡電流流入接地系統。根據弱電系統設備的安裝要求,為確保儀表自動化系統的獨立性,采用配置獨立的PLC及DCS接地網,而未采用與其它電氣系統接地共用的原設計方案。經改造后效果較好,說明接地系統的可靠性對系統抗干擾能力影響較大。

重點檢查PLC、DCS及儀表等弱電部分的兩個接地系統,確保其功能正常。其中保護接地是將平時不帶電的金屬部分(如PLC/DCS的柜體、操作臺外殼、壓力溫度等儀表設備及電動閥的執行器等電氣設備外殼等非正常帶電的部分均按要求進行保護接地)與地之間形成良好的導電連接,以保護設備和人身安全。所以當進入DCS系統的信號、供電電源或DCS系統設備本身出現問題時,能有效地承受過載電流并可以迅速將過載電流導入大地。而工作接地為DCS提供屏蔽層,消除電子噪聲干擾,并為整個控制系統提供公共信號參考點,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行并保證測量和控制精度而設的接地,這是儀表系統抗干擾的根本保證措施。所以,針對性地檢查其邏輯地、信號地、系統地和屏蔽地,而且從兩個重點入手:

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

(B)屏蔽地中電纜的接地。電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的最重要手段,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或干擾嚴重時則采用抗干擾能力強的電纜,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算機電纜,經此更換后,閥門自動打開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作為屏蔽保護接地,必須是銅絲網或鍍鋁等屏蔽層的接地。在此項檢查中發現不少混亂的情況,整理后部分線路的干擾情況得到了明顯的改善。

4.4 對軟件系統采取的相應的措施 在控制系統中,由于干擾頻譜較廣,干擾源較多,影響復雜,僅依靠硬件抗干擾無法徹底解決問題,故在以下四個方面加強軟件的抗干擾措施:

(1)采用數字濾波技術消除模擬輸入信號的嗓聲,即采用數字信號的軟件,通過一定的計算或判斷程序來減少干擾在有用信號中所占比重的抗干擾措施。

(2)應用開關量的軟件多次重復采集,直到連續幾次結果完全一致的信號方有效,以去除呈毛刺狀的輸入干擾信息而提高抗干擾能力。

(3)重復在短時間內輸出同一數據,使外部設備接收到一個被干擾的錯誤信號后,還來不及做出有效的回應,一個正確的輸出信息又到來,就可及時防止錯誤動作的產生。另外采用抗干擾編碼等措施來提高輸出數字信號的抗干擾能力。

(4)采用復位、掉電保護、指令冗余、防軟件陷阱及看門狗技術等對系統故障進行處理、自動恢復程序的設計功能,完善和加強CPU及程序的抗干擾能力。

4.5 其他防干擾針對性措施 盡量縮短電纜敷設的長度,把一些不合理的路徑進行優化而縮短;在重要或敏感設備或距離較長的儀表回路上增加信號終端電阻,通過增大負載達到減小回波反射的目的。由于本項目的電機進線端有防浪涌電容,故在其起動柜出線上增加電感,也對防止晶閘管因容性負載作用導致的反向擊穿起到了很好的保護作用。由于在接通或者斷開電感線圈時會產生高電壓,所以在一些重要回路的繼電器上反向連接1個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,增加由適當參數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

上述應急方案實施后,硫酸中控室的DCS監控畫面干擾及閥門狀態不正常等故障被徹底消除。總包方在項目管理及技術方面具有的優勢,確保了生產流程通暢。

6 結論

設計思路及設計設備選型、采購產品的質量及安裝調試時的質量等各個環節都對電儀自動化系統抗干擾技術產生重要的影響,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,切斷干擾對系統的耦合通道,降低系統干擾信號的敏感性。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的電磁兼容性,并對具體問題采取針對性措施進行處理,可以把電儀自動化系統中的干擾降到最低。實踐證明,以上提出的各種抗干擾技術和措施具有簡單易行,成本較低,修改方便,通用性強,可靠性高,抗干擾效果顯著,具有很好的推廣應用價值。