DCS網(wǎng)絡(luò)噪聲干擾原因分析及對策

張 興 蔡 兵 陳勝利

(安徽省電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230001)

0 引言

某電廠2×300 MW機(jī)組自基建調(diào)試及投入商業(yè)運(yùn)行以來，常發(fā)生DCS上位機(jī)報(bào)警信號頻繁異常觸發(fā)和部分DPU網(wǎng)絡(luò)噪聲在短時(shí)間內(nèi)大幅上升并發(fā)出警報(bào)的現(xiàn)象。若兩塊冗余DPU同時(shí)發(fā)生該類報(bào)警，則會(huì)導(dǎo)致該控制器癱瘓，嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此，安徽省電力科學(xué)研究院在1號機(jī)組檢修期間對該廠DCS開展了相關(guān)測試及分析工作。

1 系統(tǒng)簡介

電廠兩臺DCS機(jī)組采用全進(jìn)口的美國Honeywell公司TPS分散控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的接地系統(tǒng)分為主參考地和安全地兩部分。

①主參考地:它是信號線屏蔽層的接地，用于抑制干擾信號。DCS機(jī)柜內(nèi)電源轉(zhuǎn)換模塊的一路接地線也接入主參考地銅排，為系統(tǒng)邏輯地提供電壓參考點(diǎn)。主參考地接地結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 主參考地接地結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Grounding structure of main reference to ground

②安全地:機(jī)柜外殼的接地、機(jī)柜網(wǎng)絡(luò)TAP頭的接地、DCS機(jī)柜內(nèi)電源轉(zhuǎn)換模塊的另一路接地線均接入安全地銅排。

安全地接地結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 安全地接地結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Grounding structure of safe grounded

1號機(jī)組的各高性能過程處理器(high performance process manager，HPM)機(jī)柜、現(xiàn)場端子接線(field terminal assembly，F(xiàn)TA)機(jī)柜、單元節(jié)點(diǎn)機(jī)柜以及R02繼電器機(jī)柜均具備以上兩個(gè)接地系統(tǒng)。上述機(jī)柜內(nèi)前后面的底部分別設(shè)有安全地銅排和主參考地銅排。這些接地銅排分別接至電子間主參考地匯流排和安全地匯流排后，連接至電纜夾層內(nèi)對應(yīng)的主參考地接地箱和安全地接地箱，兩接地箱通過電氣接地網(wǎng)與大地相連。

1號機(jī)組的單元電源機(jī)柜、鍋爐跳閘(boiler trip，BT)機(jī)柜以及各繼電器機(jī)柜(除R02機(jī)柜外)由于沒有外部信號接入，柜內(nèi)都只有一路安全地銅排。柜內(nèi)接地線經(jīng)機(jī)柜內(nèi)底部的安全地銅排、電子間安全地主匯流排匯流后，接至電纜夾層的安全地接地箱，接地箱通過電氣接地網(wǎng)與大地相連。

需要說明的是，1號FTA機(jī)柜、單元節(jié)點(diǎn)機(jī)柜和R02繼電器機(jī)柜的安全地銅排直接通過接地電纜與電纜層的安全地接地箱相連，而其他機(jī)柜的各接地銅排均通過電子間的主接地匯流排與接地箱相連。

2 檢測分析過程

對于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)噪聲上升的現(xiàn)象，分別從DCS系統(tǒng)的接地架構(gòu)是否合理、相關(guān)參數(shù)是否符合有關(guān)規(guī)程指標(biāo)要求等角度進(jìn)行查找、分析［1－3］。為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，測試工作主要在處于檢修期的1號機(jī)組上進(jìn)行。

2.1 接地電阻測試

現(xiàn)場采用接地電阻測試儀對1號機(jī)組的各機(jī)柜主參考接地和安全接地的接地電阻進(jìn)行了全面測量。

根據(jù)《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》DL/T 659-2006規(guī)定:當(dāng)DCS與電廠電氣系統(tǒng)共用一個(gè)接地網(wǎng)時(shí)，控制系統(tǒng)地線與電氣接地網(wǎng)只允許有一個(gè)連接點(diǎn)，且接地電阻應(yīng)小于0.5 Ω。

經(jīng)測試，1號機(jī)組DCS所有機(jī)柜的匯流銅排到電氣的整個(gè)接地系統(tǒng)接地電阻符合規(guī)程要求。因此，可排除由于機(jī)柜接地電阻過大而導(dǎo)致DCS信號干擾的可能。

2.2 接地電纜排查

2.2.1 接地電纜排查要點(diǎn)

DCS各接地系統(tǒng)應(yīng)采用“單獨(dú)引出、一點(diǎn)接地”原則，各接地線除匯總點(diǎn)外應(yīng)相互隔離，即從系統(tǒng)總接地點(diǎn)往上看，接地系統(tǒng)應(yīng)為樹狀結(jié)構(gòu)，不允許接地形成環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)［4－6］。同時(shí)為確保 DCS網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，還應(yīng)做好網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接地及其和其他設(shè)備的隔離工作，避免因竄入干擾電流而對DCS網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響［7］。

2.2.2 接地電纜排查內(nèi)容

為進(jìn)一步找出1號機(jī)組DCS信號干擾及網(wǎng)絡(luò)噪聲上升的原因，對各機(jī)柜內(nèi)接至銅排的所有外部信號屏蔽線、機(jī)柜外殼接地線、網(wǎng)絡(luò)TAP頭接地線、電源轉(zhuǎn)換模塊接地線以及各段接地電纜的安裝、分布進(jìn)行了梳理，并對各接地電纜對電氣接地網(wǎng)的電壓進(jìn)行了測量。

2.2.3 存在問題及分析

通過對1號機(jī)組各機(jī)柜接地電纜的全面檢查發(fā)現(xiàn)，盡管所有機(jī)柜內(nèi)所有接地電纜用鍍鋅螺栓壓接在接地鍍錫銅排上，其中單股屏蔽線匯編成辮、使用壓線接頭壓緊，安裝規(guī)范可靠，但也存在如下問題。

①根據(jù)TPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)原則及現(xiàn)場測試結(jié)果可知，機(jī)柜的網(wǎng)絡(luò)TAP頭接地點(diǎn)和機(jī)柜外殼是相通的，相互之間電阻為零。廠家考慮到TAP頭接地點(diǎn)和機(jī)柜外殼可能接觸不好，又將網(wǎng)絡(luò)TAP頭和機(jī)柜外殼的接地電線接至安全接地銅排。這樣在三者之間形成了一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，不利于網(wǎng)絡(luò)干擾的快速消除。同時(shí)，當(dāng)DCS機(jī)柜發(fā)生漏電等情況時(shí)，干擾電壓極易通過機(jī)柜外殼與網(wǎng)絡(luò)TAP頭的連接而影響到DCS網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

②在1號機(jī)組調(diào)試過程中，DCS廠家技術(shù)人員在處理網(wǎng)絡(luò)噪聲干擾問題時(shí)，將1號FTA機(jī)柜相鄰幾個(gè)機(jī)柜的網(wǎng)絡(luò)TAP頭接地線匯總至1號FTA機(jī)柜的安全地銅排，并增加了一根接地電纜。該電纜用于將該安全地銅排直接接至電纜層的接地箱。這就使得1號FTA機(jī)柜安全地銅排對地的電纜變成了兩根:該機(jī)柜安全地銅排原設(shè)計(jì)的一根接地電纜通過安全地主匯流排接至電纜層的安全地接地箱;而調(diào)試期間由DCS廠家增加的一根安全地接地電纜則由該機(jī)柜安全地銅排直接接至接地箱。1號FTA機(jī)柜安全地接地示意圖如圖3所示。這就形成了一個(gè)環(huán)網(wǎng)，即“兩點(diǎn)接地”，違背了DCS系統(tǒng)接地原則。

圖3 1號FTA機(jī)柜系統(tǒng)安全地接地示意圖Fig.3 Schematic diagram of the safe grounding for No.1 FTA cabinet

③TPS系統(tǒng)HPM機(jī)柜內(nèi)部的電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)有兩路接地電線，其中一路接至機(jī)柜內(nèi)的安全地銅排，另一路接至主參考地銅排。在電源轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部，這兩路接地應(yīng)是相互隔離的，但在測試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將電源兩路接地線正常接入對應(yīng)銅排并給柜內(nèi)電源送電后，柜內(nèi)兩銅排間阻值為0，即兩銅排通過機(jī)柜電源的接地電纜相通。

針對此現(xiàn)象對系統(tǒng)抗噪能力的影響，現(xiàn)場也專門進(jìn)行了比對試驗(yàn)。

首先，將1號機(jī)組所有機(jī)柜電源的接地線從兩接地銅排上解除，此時(shí)同一機(jī)柜內(nèi)的兩接地銅排完全隔離。采用數(shù)字熒光示波器TEKTRONIX DPO4050測量一HPM機(jī)柜內(nèi)的主參考地銅排、安全地銅排對地的交流電壓波形，結(jié)果均為峰谷值為2.2 V左右的雜波。

然后將1號機(jī)組所有機(jī)柜內(nèi)的電源接地線重新接入兩接地銅排，再次測量該機(jī)柜主參考地銅排、安全地銅排對地的電壓波形。測量發(fā)現(xiàn)，兩銅排對地電壓波形峰谷值均有增大，分別達(dá)到4.2 V、5 V。

上述測試結(jié)果表明，電源模塊接地線接入銅排后，同一機(jī)柜內(nèi)兩隔離的接地系統(tǒng)銅排相通，這一方面降低了系統(tǒng)的抗干擾能力，另一方面也將系統(tǒng)電源產(chǎn)生的干擾信號并行引入系統(tǒng)主參考地和安全地。

2.3 信號屏蔽電纜檢測

信號屏蔽電纜壓線接頭浮空后，在對電氣接地網(wǎng)的電壓測量過程中發(fā)現(xiàn)，各機(jī)柜大部分接地電纜沒有或只有微弱的交流干擾電壓存在，但也有少數(shù)電纜存在較大的交流干擾電壓。

1號機(jī)組R02繼電器機(jī)柜的主參考地與一束屏蔽電纜相連接，測得該屏蔽電纜壓線接頭對地的交流干擾電壓達(dá)到48 V左右。

為了測試這一干擾電壓對系統(tǒng)的影響，首先將該束屏蔽電纜從銅排中解除，采用數(shù)字熒光示波器TEKTRONIX DPO4050測量該機(jī)柜安全地銅排、主參考地銅排和網(wǎng)絡(luò)TAP頭對地的交流電壓波形。顯示結(jié)果均為峰谷值為2.2 V左右的雜波。

將這束屏蔽電纜接入機(jī)柜的主參考地銅排后，機(jī)柜內(nèi)的安全地銅排、主參考地銅排以及網(wǎng)絡(luò)TAP頭對地的電壓峰谷值都明顯增大，分別約為3.2 V、3.6 V、2.8 V。

為進(jìn)一步驗(yàn)證屏蔽電纜所帶交流電壓對DCS系統(tǒng)的影響，特選擇2號機(jī)組R02繼電器機(jī)柜做對比試驗(yàn)。該束屏蔽電纜存在240 VAC電壓。

試驗(yàn)過程中，首先測得干擾交流電壓有效值達(dá)到240 VAC左右。將該束電纜從銅排中解除，采用數(shù)字熒光示波器TEKTRONIX DPO4050測量該機(jī)柜系統(tǒng)主參考地銅排對電氣接地網(wǎng)的電壓。結(jié)果為峰谷值約8.4 V的雜波。將這束帶240 VAC干擾電壓的屏蔽電纜接入R02機(jī)柜的主參考地銅排后，測量得到主參考地銅排對地電壓波形中出現(xiàn)了大量隨機(jī)尖波，峰谷值達(dá)到77 V。

未將這束屏蔽電纜接入DCS系統(tǒng)主參考地銅排時(shí)，正在運(yùn)行的2號機(jī)組控制系統(tǒng)工作正常;一旦將這束電纜接入銅排，DCS網(wǎng)絡(luò)噪聲快速上升并發(fā)出報(bào)警。

通過對測試波形的對比分析可知:將帶較高交流干擾電壓的屏蔽電纜接入主參考地銅排后，機(jī)柜內(nèi)安全地銅排、主參考地銅排和網(wǎng)絡(luò)TAP頭的對地電壓都有增大且出現(xiàn)大量隨機(jī)尖波，并且DCS自檢程序記錄的網(wǎng)絡(luò)噪聲也出現(xiàn)快速變化，DCS控制器的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重影響。

3 原因分析

通過現(xiàn)場測試、試驗(yàn)、對比，對該電廠兩臺機(jī)組DCS網(wǎng)絡(luò)噪聲干擾原因分析結(jié)果如下。

①接地電阻的測試結(jié)果表明，1號機(jī)組DCS接地系統(tǒng)接地電阻符合規(guī)程要求，但兩臺機(jī)組接地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都存在局部“環(huán)網(wǎng)”的問題，如網(wǎng)絡(luò)TAP頭、機(jī)柜外殼、安全接地銅排三者之間的環(huán)網(wǎng);1號FTA機(jī)柜安全地銅排存在兩根對地的電纜;系統(tǒng)安全地和主參考地通過電源模塊相通，在系統(tǒng)總接地點(diǎn)匯合，形成環(huán)網(wǎng)。整個(gè)接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不符合DCS的接地原則——“單獨(dú)引出、一點(diǎn)接地”，從而造成DCS系統(tǒng)抗干擾能力降低，這是網(wǎng)絡(luò)噪聲形成的內(nèi)在原因。

②兩臺機(jī)組部分現(xiàn)場信號的屏蔽電纜帶有較強(qiáng)的交流干擾電壓，并通過“環(huán)形”接地系統(tǒng)引入DCS通信網(wǎng)絡(luò)，給DCS網(wǎng)絡(luò)安全帶來較大隱患，這是網(wǎng)絡(luò)噪聲上升的外部原因。

③兩臺機(jī)組還存在少量現(xiàn)場信號的屏蔽電纜接至TPS系統(tǒng)安全地銅排的現(xiàn)象，一旦由于現(xiàn)場條件的變化使這些屏蔽線帶上較強(qiáng)的交流干擾電壓，將對DCS網(wǎng)絡(luò)造成干擾。

4 處理建議

為徹底解決該電廠兩臺機(jī)組DCS網(wǎng)絡(luò)噪聲干擾問題，提出如下建議。

①1號FTA機(jī)柜的安全地銅排現(xiàn)存在“兩點(diǎn)接地”現(xiàn)象，應(yīng)解除其中一路接地電纜。

②1號機(jī)組部分HPM機(jī)柜內(nèi)電源通電后存在電源模塊兩路接地線相通的現(xiàn)象(本次檢修過程中新增加的HPM機(jī)柜電源模塊無此現(xiàn)象)，使得系統(tǒng)主參考接地銅排和安全接地銅排在各自機(jī)柜內(nèi)相通。建議聯(lián)系廠家進(jìn)一步查找原因并加以解決。

③1號機(jī)組在調(diào)試過程中已將網(wǎng)絡(luò)TAP頭的接地線單獨(dú)匯流后直接接至電纜層安全地接地箱，建議2號機(jī)組也參照此處理。同時(shí)建議將網(wǎng)絡(luò)TAP頭與機(jī)柜隔離(如有可能)，以保證TAP頭接地獨(dú)立。

④按照TPS系統(tǒng)接地要求，將接至安全地銅排的屏蔽線移至主參考地銅排，避免現(xiàn)場干擾引入系統(tǒng)安全地。

⑤初步確定了多束屏蔽電纜帶有較強(qiáng)的交流電壓，建議進(jìn)一步進(jìn)行梳理，找出屏蔽線帶電的具體電纜?？梢韵葘⑦@部分電纜的屏蔽層在現(xiàn)場信號端接地并觀察效果，若仍對DCS造成干擾，則應(yīng)考慮重新鋪設(shè)電纜(信號電纜與動(dòng)力電纜分層鋪設(shè)，以避免干擾)［8］。

⑥為防止電纜進(jìn)入機(jī)柜后形成“天線”效應(yīng)、破壞機(jī)柜的屏蔽效果，重要信號電纜的備用芯應(yīng)可靠接地，其他信號電纜的備用芯應(yīng)置于控制柜的下部位置，同時(shí)重要信號的電纜屏蔽層應(yīng)盡可能在靠近接線端子處剖開［9］。

總之，在后面整改過程中應(yīng)做到以下幾點(diǎn)。

①DCS機(jī)柜外殼、電源地、屏蔽地、邏輯地等應(yīng)分別接到機(jī)柜各接地銅排上，并將各機(jī)柜相應(yīng)接地銅排連接后，再用銅芯電纜引至主接地體。

②應(yīng)保證DCS系統(tǒng)滿足“一點(diǎn)接地”的要求，整個(gè)接地系統(tǒng)最終只有一點(diǎn)接到接地地網(wǎng)上，并滿足接地電阻的要求。

③DCS輸入輸出信號屏蔽線要求單端接地。若信號端不接地，屏蔽線應(yīng)直接接在機(jī)柜地線上;若信號端接地，屏蔽線應(yīng)在信號端接地。

5 結(jié)束語

完善、可靠、正確的接地既是DCS系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定和良好運(yùn)行的關(guān)鍵，又是影響發(fā)電廠長周期生產(chǎn)的關(guān)鍵，很多DCS系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障往往是由于系統(tǒng)接地不好引起的。本文全面詳細(xì)地介紹了在某電廠DCS頻繁發(fā)生異常報(bào)警后對該廠DCS的接地系統(tǒng)所進(jìn)行的排查、檢測和分析工作的過程，找出了導(dǎo)致報(bào)警信號異常的原因所在，并提出了進(jìn)一步處理的建議。希望通過本文的分析和建議，可以對其他同類型發(fā)電廠的DCS接地系統(tǒng)的安裝、維護(hù)及問題排查工作提供一定的參考。

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