DCS 抗干擾技術(shù)與安全可靠性分析

顧德東，管洪強(qiáng)

(深能合和電力有限公司，廣東河源517025)

現(xiàn)代火電廠的生產(chǎn)過程正在向著大型化、連續(xù)化和自動(dòng)化方向發(fā)展，如何保證分散控制系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行就顯得至關(guān)重要。隨著分散控制系統(tǒng)集成化程度不斷地提高，控制系統(tǒng)所使用的測(cè)量儀表、輸入和輸出設(shè)備日漸增多。分散控制系統(tǒng)所要處理的信號(hào)電壓類型更為復(fù)雜多樣，線路所傳遞的信號(hào)電流也越來越小?？垢蓴_能力已經(jīng)直接關(guān)系到分散控制系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行，而分散控制系統(tǒng)的可靠性又直接影響到火力發(fā)電機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，因此必須采取有效措施提高分散控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

1 干擾的主要來源

干擾的來源有很多種，可能來自外部環(huán)境，也可能來自內(nèi)部的電子元件。對(duì)于火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)，其干擾源主要包括以下三種。

1.1 電源的干擾

分散控制系統(tǒng)的電源一般取自廠用電系統(tǒng)。電廠中大型電力設(shè)備的啟停、負(fù)載電流的快速變化等都會(huì)產(chǎn)生諧波、暫態(tài)沖擊等干擾，可能會(huì)導(dǎo)致分散控制系統(tǒng)的邏輯電路誤動(dòng)作，影響其正常工作。

1.2 信號(hào)傳輸通道的干擾

因?yàn)橛?jì)算機(jī)所能處理的信號(hào)為數(shù)字量，所以從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集的數(shù)據(jù)信號(hào)需要經(jīng)過大量的數(shù)字量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道。從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)電纜到控制室，電纜長度都在百米之上，這些通道在完成數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換的同時(shí)，不可避免地將干擾引進(jìn)了系統(tǒng)。

1.3 各類電磁干擾

電氣設(shè)備的啟停瞬間、雷電、無線電通信信號(hào)、雷達(dá)、變頻設(shè)備所產(chǎn)生的電磁輻射均會(huì)對(duì)電子設(shè)備、傳輸通道和系統(tǒng)硬件設(shè)備的性能帶來不良的影響。

2 硬件系統(tǒng)的可靠性和抗干擾措施

從分散控制系統(tǒng)的硬件方面加強(qiáng)抗干擾能力，主要措施有消除干擾源和切斷傳播途徑。

2.1 穩(wěn)定的工作電源

分散控制系統(tǒng)采用的供電電源一般隔離性能較好，耦合進(jìn)入的干擾也很小。對(duì)分散控制系統(tǒng)造成干擾的因素主要是變送器的供電電源和與分散控制系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源。由于此類電源的隔離變壓器分布參數(shù)大，抗干擾能力差，容易將電源干擾通過信號(hào)傳輸途徑引進(jìn)分散控制系統(tǒng)。不間斷電源是分散控制系統(tǒng)常用的一種電源，它能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，并用蓄電池儲(chǔ)存起來。使用時(shí)，通過逆變器為計(jì)算機(jī)可靠供電。此種交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)，使得分散控制系統(tǒng)中的設(shè)備具有很強(qiáng)的抗電網(wǎng)干擾能力。因此，可以采用不間斷電源對(duì)電子計(jì)算機(jī)、測(cè)量變送器和公用儀表系統(tǒng)進(jìn)行供電。

2.2 抑制信號(hào)傳輸通道的干擾

火電廠分散控制系統(tǒng)中，接地是抑制干擾的主要措施之一。在設(shè)計(jì)和施工中，如果能夠?qū)⑾到y(tǒng)接地與信號(hào)電纜屏蔽有機(jī)地結(jié)合起來使用，使得干擾信號(hào)的傳輸通道被切斷，則可解決大部分干擾問題。

2.2.1 信號(hào)電纜屏蔽層接地

對(duì)于需要遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘?hào)，可以選用屏蔽線、同軸電纜和屏蔽雙絞線等。屏蔽接地能夠使屏蔽層上的感應(yīng)電流、電壓和靜電電荷通向大地，起到很好的抗電磁干擾效果。當(dāng)信號(hào)電纜中間有接頭時(shí)，兩條電纜的屏蔽層在接頭處應(yīng)妥善連接，并將屏蔽層裸露部分用絕緣膠帶包好，以防多點(diǎn)接地。必須注意的是，分散控制系統(tǒng)中的信號(hào)電纜屏蔽層必須在計(jì)算機(jī)側(cè)一點(diǎn)接地，如圖1所示。如果電纜屏蔽層兩端都接地，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)，如雷擊時(shí)，就存在地電位差，兩點(diǎn)間將有大電流通過。

圖1 控制電纜在機(jī)柜側(cè)接地

圖2 現(xiàn)場(chǎng)安裝的信號(hào)隔離器

2.2.2 設(shè)備安全地的連接

安全地指的是設(shè)備的金屬外殼與大地相連的接地線。安全地可以防止電荷積累，電壓升高或者是系統(tǒng)本身絕緣破壞對(duì)人員造成傷害。由于信號(hào)線走線槽或電纜管，在雷雨多發(fā)季節(jié)里，因雷擊所造成的干擾可能沿槽架進(jìn)入控制系統(tǒng)。某廠化學(xué)水處理控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡件曾多次因雷擊而損害，導(dǎo)致控制系統(tǒng)通訊中斷。針對(duì)雷擊電流的干擾，可采取多項(xiàng)措施相結(jié)合的方式處理。首先，將電纜槽架使用焊接銅棒多點(diǎn)接地，盡量使雷擊電流能夠被快速引導(dǎo)至大地。其次，信號(hào)傳輸電纜的屏蔽層在計(jì)算機(jī)側(cè)單點(diǎn)接地，避免形成干擾電流通道。再次，在信號(hào)傳輸線路中安裝信號(hào)隔離器，如圖2所示。一旦發(fā)生雷擊，信號(hào)隔離器將承受大部分的強(qiáng)電流影響，從而保護(hù)了更為重要的控制器免遭雷擊損壞。

2.3 信號(hào)輸入端硬件濾波

火電廠中所使用的電纜數(shù)量大，分布廣，雖然各動(dòng)力電纜和控制電纜按照分層布置的原則鋪設(shè)，但是仍然難免大型電力設(shè)備啟停時(shí)的強(qiáng)烈電磁對(duì)信號(hào)傳輸造成的干擾。某廠曾發(fā)生模擬量控制系統(tǒng)多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)跳變的情況，通過使用示波器觀察傳輸信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)直流信號(hào)中疊加了較強(qiáng)的交流分量。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不存在動(dòng)力電纜和控制電纜交叉鋪設(shè)的情況下，一般認(rèn)為造成溫度信號(hào)波動(dòng)的原因可能是電纜某處絕緣受損，使信號(hào)傳輸過程中引入了交流分量。為去除雜散電流干擾，可以在溫度測(cè)點(diǎn)端口并聯(lián)安裝電容濾波裝置(如圖3所示)。因?yàn)殡娙菥哂凶柚绷鳌⑼ń涣鞯奶匦?，所以并不?huì)對(duì)原模擬量輸入端口造成影響。通過比較，安裝電容的測(cè)點(diǎn)比未安裝電容的測(cè)點(diǎn)抗干擾能力更強(qiáng)，溫度信號(hào)測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定(如圖4所示)。這項(xiàng)措施不僅消除了干擾影響，同時(shí)有效地防止了分散控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡件因竄入交流電流而損壞。

圖3 安裝在模擬量輸入端口的電容

圖4 安裝電容后溫度測(cè)量穩(wěn)定

3 軟件系統(tǒng)的可靠性和抗干擾技術(shù)

所謂軟件抗干擾技術(shù)，就是通過程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，以排除干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響。常用的軟件系統(tǒng)抗干擾措施采用數(shù)字濾波。數(shù)字濾波是通過一定的數(shù)學(xué)算法從數(shù)據(jù)序列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的一種軟件方法。

3.1 限幅濾波

某廠凝結(jié)水泵、汽動(dòng)給水泵及其前置泵、開式水泵、閉式水泵的軸承溫度測(cè)點(diǎn)多次發(fā)生跳變的情況。通過在溫度測(cè)量邏輯中加入速率限制和差值限制，同時(shí)保留原來高限跳泵保護(hù)(如圖5所示)，取得了良好的切除干擾的效果。其基本思想是通過速率限制功能塊作用，將相鄰的n和n+1時(shí)刻兩個(gè)采樣值Y(n)和Y(n+1)值相減。如果差值過大，超出了參數(shù)允許的最大限值，則認(rèn)為發(fā)生了隨機(jī)干擾，邏輯利用SR觸發(fā)器記錄此情況，并自動(dòng)退出跳泵保護(hù)，通過報(bào)警提示運(yùn)行人員加強(qiáng)監(jiān)視，從而避免溫度保護(hù)誤動(dòng)作而引起的水泵跳閘。

圖5 整改后的溫度跳閘保護(hù)控制邏輯

3.2 中值濾波

中值濾波能夠有效地克服因偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等造成的脈沖干擾，適用于變化緩慢的參數(shù)測(cè)量。典型應(yīng)用就是模擬量控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量值三選中的邏輯功能(如圖6所示)。

圖6 測(cè)量結(jié)果三選中邏輯

TSTQ模塊的作用:當(dāng)信號(hào)發(fā)生壞質(zhì)量情況時(shí)，該模塊能夠產(chǎn)生正脈沖。T模塊的作用:根據(jù)使能端狀態(tài)，自動(dòng)選擇輸出值等于輸入值1或者是輸入值2。在上述邏輯圖中，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)通道的TSTQ模塊檢測(cè)到此信號(hào)壞質(zhì)量后，輸出由原來輸出“0”變?yōu)椤?”，此布爾量作用在T模塊的使能端，則T模塊輸出值由原來的1變?yōu)?，使輸出結(jié)果變?yōu)槿コ龎馁|(zhì)量信號(hào)后，其余兩個(gè)正常信號(hào)的算術(shù)平均值，從而達(dá)到消除干擾的目的。經(jīng)過處理的三個(gè)測(cè)量信號(hào)兩兩進(jìn)行取大值比較后再進(jìn)行取小選擇值，就能夠完成測(cè)量值三選中的邏輯功能。

3.3 算術(shù)平均濾波

基本原理是通過對(duì)某點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次測(cè)量，取其平均值作為該點(diǎn)的結(jié)果(如圖7所示)。某廠省煤器出口給水壓力有兩個(gè)測(cè)量值，在分散控制系統(tǒng)邏輯中進(jìn)行了加權(quán)相加，設(shè)定每個(gè)測(cè)量值的權(quán)重是0.5，相當(dāng)于取兩數(shù)的平均值作為省煤器出口給水壓力。此措施不僅能夠減少周期性干擾對(duì)采樣結(jié)果的影響，而且對(duì)隨機(jī)干擾的信號(hào)具有顯著的濾波效果。當(dāng)一個(gè)測(cè)量值出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，還能將其權(quán)重設(shè)為0，另一個(gè)測(cè)量值權(quán)重設(shè)為1。故障情況下，仍然能夠臨時(shí)提供過程測(cè)量數(shù)據(jù)，保證分散控制系統(tǒng)的自動(dòng)投入和連續(xù)運(yùn)行。

圖7 省煤器出口壓力選擇邏輯

4 總結(jié)

由于發(fā)電廠設(shè)備眾多且啟停頻繁，由此造成的干擾不僅種類多，而且傳播方式和途徑都不盡相同。長期以來，這些干擾對(duì)分散控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理造成了極大的影響，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致機(jī)組跳閘保護(hù)動(dòng)作，電力生產(chǎn)的中斷。在實(shí)際檢修工作中，從儀表選型、電纜屏蔽、數(shù)字濾波等硬件和軟件設(shè)計(jì)方面對(duì)分散控制系統(tǒng)抗干擾問題給予充分的考慮，在可能引入干擾的回路，設(shè)置各種數(shù)字濾波和隔離措施，有效防止干擾引起分散控制系統(tǒng)誤動(dòng)作或設(shè)備損壞，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證分散控制系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

［1］ 張勇明.探討DCS控制系統(tǒng)的接地問題及防護(hù)［J］.硅谷，2011，(1).

［2］ 盧銘慶.控制系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)可靠性分析及改進(jìn)［J］.江西電力，2005，(6).