DCS系統(tǒng)的接地問題和抗干擾措施

劉一帥

（ 中國華電集團(tuán)哈爾濱發(fā)電公司黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)已是一種標(biāo)準(zhǔn)模式，是監(jiān)控控制機(jī)組起停和運(yùn)行的中樞系統(tǒng)，其安全可靠與否對于保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的飛速發(fā)展，DCS對機(jī)組監(jiān)控覆蓋面日趨完善，其滲透深度也在加大，已不僅僅局限在熱工監(jiān)視控制及大聯(lián)鎖等，發(fā)電機(jī)變壓器，廠用電系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)，汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(DEH)也逐步納入到DCS控制系統(tǒng)中來，機(jī)組的安全穩(wěn)定越來越依賴于DCS系統(tǒng)，而DCS系統(tǒng)抵御事故的能力，抗干擾的能力及系統(tǒng)的接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得很重要。下面就DCS系統(tǒng)的接地問題和抗干擾問提進(jìn)行探討。

1 DCS系統(tǒng)的接地問題

DCS系統(tǒng)的正確接地十分重要，因?yàn)樗芴峁┮粋€(gè)供電返回通道，從而使系統(tǒng)中的信號有一個(gè)公共參考點(diǎn)。它保證了系統(tǒng)中的模擬量測量電路有一個(gè)穩(wěn)定的參考點(diǎn)，使外部干擾對系統(tǒng)的作用最小。由于提供了一個(gè)返回通道，使得從外部信號進(jìn)入系統(tǒng)的交流噪聲的影響變?yōu)樽钚??？傊瓺CS系統(tǒng)的接地系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)這樣建立，供電返回一部分。模擬信號參考一部分，機(jī)柜和外殼為另一部分，這三部分應(yīng)當(dāng)互相隔離，但要在一點(diǎn)上連接起來，以保證系統(tǒng)各個(gè)部分有一個(gè)公共的電位，理想情況下，如果有某類電干擾，系統(tǒng)各部分仍將在同一個(gè)相對電位點(diǎn)上，從而使系統(tǒng)在干擾期和干擾后能正常進(jìn)行。

1.1 參考地

參考地定義為大地地，由接地排或接地網(wǎng)形成，參考地的目的是為了系統(tǒng)測量電路提供一個(gè)公共參考點(diǎn)。DCS系統(tǒng)的公共點(diǎn)至接地網(wǎng)(或接地排)之間的電阻規(guī)定小于或等于1MΩ，DCS系統(tǒng)接地點(diǎn)宜接在電氣接地網(wǎng)上，當(dāng)DCS生產(chǎn)廠家要求DCS系統(tǒng)設(shè)專用接地網(wǎng)時(shí)，可設(shè)置DCS專用接地網(wǎng)，專用接地網(wǎng)與電氣接地網(wǎng)防雷接地網(wǎng)之間的距離應(yīng)大于10M，建筑鋼架或交流安全地不能用作參考地。

1.2 機(jī)柜接地

在機(jī)柜中有四種基本類型的接地。

(1)機(jī)柜地

機(jī)柜地在每個(gè)機(jī)柜中都有接地柱將各個(gè)機(jī)柜連接起來。最后再把這些機(jī)柜的公共接地點(diǎn)和參考地連接起來。這些環(huán)路屏蔽和暫態(tài)抑制返回通道的作用，應(yīng)該注意的是導(dǎo)線管鎧裝電纜和電纜支架應(yīng)和機(jī)柜金屬構(gòu)件以及信號公共點(diǎn)和電源地絕緣，應(yīng)提供一個(gè)和建筑鋼架單獨(dú)的連接，以消除金屬構(gòu)件中的環(huán)流。

(2)安全地

安全接地也稱為保護(hù)接地，用于所有需要交流電源的硬件單元。交流電源接線中的保護(hù)地引線和電源電源底板的端子相接，然后可通過電源安裝螺釘和機(jī)柜地相接，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)這個(gè)地可以保證操作員的安全，而不是為了暫態(tài)抑制。

(3)電源地

電源地是直流電源的返回通路，它是給定機(jī)柜中所有安裝設(shè)備的電源的公共部分。

(4)信號公共地

信號公共地亦稱為邏輯地，是機(jī)柜中模擬測量信號的參考點(diǎn)，可以抑制來自信號和供電系統(tǒng)的噪聲干擾，信號公共地和電源地的總線匯流排要絕緣。

總之，機(jī)柜中的四種類型接地都應(yīng)有一自己的公共接地點(diǎn)，且相互間應(yīng)該絕緣，然后他們在分別接至系統(tǒng)的參考地。

1.3 DCS系統(tǒng)信號線的屏蔽層接地點(diǎn)選擇符合下列要求

①信號源在測點(diǎn)現(xiàn)場的測點(diǎn)，屏蔽線的屏蔽層在現(xiàn)場接地。

②信號源在測點(diǎn)現(xiàn)場不接地的測點(diǎn)，屏蔽線的屏蔽層DCS側(cè)接地。

③當(dāng)模擬儀表和計(jì)算機(jī)(DCS)供用傳感器時(shí)，去模擬儀表的信號電纜選用和去計(jì)算機(jī)(DCS)的信號電纜相同的屏蔽電纜時(shí)，屏蔽層和去計(jì)算機(jī)(DCS)屏蔽電纜的屏蔽層接在一起后，按上述(1)(2)的原則選擇接地點(diǎn)。

④計(jì)算機(jī)(DCS)各邏輯部分間接口電纜的屏蔽層接在一起后在主機(jī)柜處用絕緣的導(dǎo)線與地線匯集板牢固連接。

還有一種情況是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用浮地方式運(yùn)行，這就要求整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在各種情況下對地絕緣狀態(tài)比較穩(wěn)定。但是浮地方式可能會(huì)對運(yùn)行維護(hù)人員造成靜電電擊。

2 DCS系統(tǒng)接地安裝檢查

現(xiàn)在市場上有很多DCS廠家，對接地系統(tǒng)要求也有所不同。大多數(shù)DCS系統(tǒng)采用的是側(cè)屏單點(diǎn)接地的方案(可抗電場干擾，需要周期性的檢查接地回路)，有些DCS基于信號參考電勢的表面接地和多點(diǎn)接地原則，采用多點(diǎn)接地方案(電纜屏蔽兩側(cè)均接地，可提高電磁兼容性，不需要檢測接地故障，當(dāng)出現(xiàn)大電流用戶接地故障的情況下，屏蔽層可保證有足夠的通流能力。但要求在任何情況下電纜屏蔽層的兩端接地電勢差小于5V)。雖然隨著技術(shù)水平的發(fā)展，DCS對接地的要求也有所降低，但在無廠家明確說明的情況下，還是應(yīng)按常規(guī)接地系統(tǒng)的要求進(jìn)行檢查:

(1)檢查控制系統(tǒng)應(yīng)使用專用地極，地極同廠區(qū)地網(wǎng)相連接，周圍(大于10M內(nèi))無避雷針地極和大型電力設(shè)備地極;所有從地極上的引線都應(yīng)是焊接的;地極的接地電阻應(yīng)小于5Ω;地極間的電阻應(yīng)小于1Ω。

(2)控制系統(tǒng)接地，一般有信號地(屏蔽層接地)和保護(hù)地(機(jī)柜地和電源地等)，也有的控制系統(tǒng)合并為一個(gè)地，相對應(yīng)的每個(gè)控制柜有信號地和保護(hù)地，而每個(gè)端子柜只有保護(hù)地。檢查確認(rèn)各機(jī)柜的響應(yīng)接地線已可靠連接，并由兩根銅芯電纜分別引至總接地板。連接線的線質(zhì)、線徑、線色應(yīng)滿足規(guī)定要求。

(3)斷開機(jī)柜與信號地線和保護(hù)地線的連接，用歐姆表測量接地導(dǎo)線與機(jī)柜之間的電阻應(yīng)小于1(0.5)Ω，否則應(yīng)采用措施。斷開每個(gè)機(jī)柜接地線與外界的聯(lián)系，用萬用表檢查柜內(nèi)信號地和保護(hù)地相互間、與地間、與機(jī)柜間電阻，任意兩者之間應(yīng)大于2MΩ。如不滿足要求，應(yīng)按機(jī)柜接線圖查找原因。

(4)除非制造廠有明確的說明 ，否則同一信號回路或同一線路的模擬量信號線屏蔽層，均應(yīng)在控制系統(tǒng)端子排除接地，以保證一點(diǎn)接地。斷開信號屏蔽層的接地，用普通萬用表測量屏蔽層與地之間的電阻應(yīng)大于2MΩ。否則，說明有屏蔽線兩端接地，應(yīng)逐一斷開屏蔽線，找到與地短接的屏蔽線加以更正。一般開關(guān)量信號無需屏蔽接地，但必須保證控制系統(tǒng)輸入開關(guān)量是一個(gè)單獨(dú)的無源觸點(diǎn)，切不可與其他系統(tǒng)共用一個(gè)輸入觸點(diǎn)或串入高電壓，否則可能損壞模塊。

3 DCS系統(tǒng)的抗干擾措施

大型單元機(jī)組采用DCS系統(tǒng)，由于廣泛采用電子器件和微處理器，采用數(shù)字化傳輸?shù)?，易受電廠各種干擾源的干擾，又由于DCS系統(tǒng)監(jiān)視控制點(diǎn)多，分布范圍廣，傳輸距離相對較遠(yuǎn)，所處環(huán)境惡劣，電廠中的高電壓和大電流產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場，局部環(huán)境溫度的高梯度分布。諧波電源的存在，無線通信(對講機(jī)，移動(dòng)電話)的廣泛使用，以及這些干擾的幅值時(shí)間的隨機(jī)性等等，另外，當(dāng)前現(xiàn)場信息傳輸仍以模擬量和開關(guān)量為主，盡管有時(shí)干擾很小，一旦進(jìn)入裝置，輸入端，而所采取的抑制措施又不及時(shí)，經(jīng)裝置放大后，極易造成誤差，給電廠值班人員的判斷處理帶來困難，而對于數(shù)字量傳輸信息，由于強(qiáng)干擾的存在，又未能有效進(jìn)行抑制則可能造成通信系統(tǒng)的破壞，使DCS系統(tǒng)不能正常工作，甚至造成不必要的損失。

下面是對于DCS系統(tǒng)的干擾信息的抑制措施:

要消除干擾信息最徹底的消除干擾源是最理想的但往往受到技術(shù)經(jīng)濟(jì)等因素的制約，因此現(xiàn)實(shí)的辦法是采取抑制措施，減低干擾幅度，保證裝置的靈敏度，精度和可靠性的要求，從而保證單元機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 輸入電路的抗干擾措施

DCS系統(tǒng)輸入信息的干擾形式是多種多樣的，處理起來比較麻煩，抑制這些干擾信息時(shí)應(yīng)根據(jù)其電路的功能信息類別可能的干擾形式，認(rèn)真細(xì)致的查找，反復(fù)測試信息的輸入采用共模輸入較多，但由于信息取樣點(diǎn)的地電位差值或輸入?yún)?shù)對稱性欠佳等易是其轉(zhuǎn)化為差模干擾，采用減小取樣點(diǎn)與裝置輸入接口間電位差值或改善輸入電路元件的參數(shù)，保證優(yōu)良的對稱性，等措施均可減少共模電壓值，而采用差模輸入時(shí)，采用PC，PE電容即可濾掉干擾，或增加延時(shí)等修改軟件的辦法均可收到明顯的效果。

3.2 接地

DCS系統(tǒng)的接地系統(tǒng)和輸入電路中采樣點(diǎn)電位是常見而又比較重要復(fù)雜的問題，既接地問題，詳見上一節(jié)。

3.3 電源及諧波

為提高DCS系統(tǒng)的工作可靠性穩(wěn)定性，通常都采用不停電電源，UPS作為供電電源，UPS一般由整流逆變及旁路供電部分組成。當(dāng)采用整流逆變方式運(yùn)行時(shí)，由交流側(cè)取得有功功率，可由整流逆變排除電網(wǎng)諧波的影響，然而在逆變?yōu)檎也ǖ倪^程中，逆變功率變壓器的結(jié)構(gòu)，參數(shù)分布，整形電容的電容量穩(wěn)定性以及這些元件間的分布電容，對諧波的形成和諧波的次數(shù)均有影響，而當(dāng)采用旁路運(yùn)行時(shí)，除交流側(cè)電網(wǎng)存在有諧波影響外，旁路隔離變壓器的結(jié)構(gòu)。參數(shù)及負(fù)載飽和程度也會(huì)影響到諧波的產(chǎn)生，為了減小諧波必須在裝置交流電的輸入源側(cè)采用高質(zhì)量的隔離變壓器或增設(shè)濾波電容。

另外電源電纜和信號電纜在敷設(shè)時(shí)要遵循一定的原則。

(1)在同一根電纜中只能傳送同一類信號，變送器的信號和電源不得用同一根電纜傳送。

(2)低電平輸入信號通過強(qiáng)電磁場區(qū)段時(shí)信號電纜須穿入鋼制電纜管內(nèi)敷設(shè)，電纜管應(yīng)良好接地。

(3)低電平輸入信號應(yīng)選用屏蔽電纜。

(4)計(jì)算機(jī)信號電纜與動(dòng)力電纜等多類電纜走同一電纜通道時(shí)，各類電纜應(yīng)分層敷設(shè)，各類電纜由下往上的排列順序是計(jì)算機(jī)信號電纜，一般控制電纜層，低壓動(dòng)力電纜層，高壓動(dòng)力電纜層。

(5)計(jì)算機(jī)信號電纜與動(dòng)力電纜之間應(yīng)保持有最小的允許距離。

4 溫度和溫度場

在現(xiàn)場會(huì)經(jīng)常碰到溫度和溫度場干擾的問題，以熱輻射形式出現(xiàn)的溫度場干擾即可表現(xiàn)于輸入電路中，也可出現(xiàn)于整個(gè)裝置的空間，只要改善溫度場的梯度增強(qiáng)熱量的傳播，一般說來溫度場干擾是可以抑制的，DCS制造商對溫度濕度等都有明確規(guī)定，如果DCS機(jī)柜溫度過高，可能發(fā)生裝置功能紊亂，甚至造成保護(hù)誤動(dòng)停機(jī)。

5 結(jié)語

上面就DCS系統(tǒng)的抗干擾和接地方式進(jìn)行了初步探討，實(shí)踐證明，這兩方面的問提是DCS系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，只有這兩方面做好了，處理DCS缺陷才有可能有條不紊，有序可查，否則容易出現(xiàn)一些偶然發(fā)生和很難推理和理解的故障，容易把缺陷的處理導(dǎo)入誤區(qū)。

［1］朱北恒.火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)［M］.中國電力出版社，2007.

［2］王森.DCS系統(tǒng)信號干擾與接地［J］.科技創(chuàng)業(yè)，2010.9.

［3］丁仰春.關(guān)于DCS系統(tǒng)中干擾問題及探討［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009.1.