煤制烯烴項目中儀表監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的應(yīng)用

楊紹軍

(國家能源集團(tuán)神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

隨著自動化技術(shù)在現(xiàn)代煤化工企業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展，儀表監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡稱儀表系統(tǒng))在煤化工企業(yè)的重要性不斷提高。煤制烯烴項目的儀表系統(tǒng)具有設(shè)備多、安裝地域廣、輸入/輸出接口多、傳輸電纜多且長等特點，其工作環(huán)境中會有各種各樣的噪聲，而噪聲又會通過各種耦合途徑干擾儀表系統(tǒng)的正常工作。

提高儀表系統(tǒng)的抗干擾能力，也就是提高儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，這是煤化工企業(yè)安全平穩(wěn)生產(chǎn)的重要保障。要提高儀表系統(tǒng)的抗干擾能力，除了在設(shè)計和生產(chǎn)時考慮各種抗干擾措施外，更重要的是改進(jìn)實際應(yīng)用中的抗干擾技術(shù)。本文主要介紹了儀表抗干擾技術(shù)在實際應(yīng)用中的幾種解決方案。

1 項目概況

煤制烯烴項目是以煤為原料，通過煤氣化制甲醇、甲醇轉(zhuǎn)化制烯烴、烯烴聚合生產(chǎn)聚烯烴產(chǎn)品的特大型煤化工項目。工廠包括甲醇、烯烴、熱電和公用工程等四個主要生產(chǎn)中心。其中，甲醇中心包括氣化、凈化、合成、硫磺回收和甲醇罐區(qū)這五套生產(chǎn)裝置，烯烴中心包括甲醇制低碳烯烴(methanol to olefins， MTO)、烯烴分離、聚丙烯、聚乙烯、混合C4、烯烴罐區(qū)這六套生產(chǎn)裝置，熱電中心包括鍋爐、汽輪機(jī)、化學(xué)水、脫硫脫銷、卸儲煤這五套生產(chǎn)裝置，公用工程中心包括凈水、循環(huán)水、污水、火炬、裝卸棧臺這五套生產(chǎn)裝置。MTO是該項目的核心裝置，是傳統(tǒng)煤化工與石油化工結(jié)合的“橋梁”[1]。

2 儀表監(jiān)控系統(tǒng)存在的干擾問題

2.1 MTO和烯烴分離裝置存在的儀表干擾問題

MTO和烯烴分離裝置的分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)采用的是霍尼韋爾公司的過程知識系統(tǒng)(experion process knowledge system，EPKS) 。近年來，MTO和烯烴分離裝置的DCS在裝置正常運行時，多次出現(xiàn)因短時間內(nèi)控制器主從切換不暢而導(dǎo)致的控制器運行異常，造成了所有操作站的數(shù)據(jù)顯示中斷事故。

2.1.1 DCS控制器運行異常情況檢查

通過查詢MTO和烯烴分離裝置DCS的系統(tǒng)報警事件記錄，可以看到每次在控制器運行異常時，都會有多個控制器出現(xiàn)容錯以太網(wǎng)(fault tolerant ethernet， FTE) A/B接收故障。

2.1.2 DCS控制器運行異常原因分析

每次控制器出現(xiàn)異常后，儀表技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行檢查分析時，系統(tǒng)都已自動恢復(fù)正常了。這對儀表人員分析故障原因很不利。

儀表技術(shù)人員經(jīng)過對控制系統(tǒng)的認(rèn)真檢查和多次原因分析后，基本排除了控制系統(tǒng)本身存在問題的可能性，一致認(rèn)為DCS操作站數(shù)據(jù)中斷是由于較強(qiáng)的外部干擾造成的。在2014年7月再次出現(xiàn)類似故障時，經(jīng)與操作人員進(jìn)一步溝通，得知當(dāng)時在MTO裝置現(xiàn)場有焊接作業(yè)。工作人員至現(xiàn)場查看后，發(fā)現(xiàn)焊工將焊機(jī)的地線搭接在儀表電纜橋架上。

在儀表接地系統(tǒng)不完善的情況下，會把強(qiáng)的干擾信號引入DCS中，造成控制系統(tǒng)工作異常。依據(jù)儀表接地規(guī)范，對這兩個裝置儀表接地系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在接地線不規(guī)范、接地線截面規(guī)格配置不科學(xué)等諸多問題。由此可以判斷出，焊機(jī)作業(yè)時通過儀表電纜橋架和儀表接地系統(tǒng)把較強(qiáng)的干擾信號引入到了DCS系統(tǒng)，是造成MTO和烯烴分離裝置DCS系統(tǒng)多次出現(xiàn)操作站顯示數(shù)據(jù)中斷的直接原因。

2.2 全廠儀表系統(tǒng)在抗干擾方面存在的問題

儀表系統(tǒng)的抗干擾方法一般包括完善的儀表接地、抗高頻干擾、電源和信號的隔離和濾波控制室屏蔽以及控制室靜電防護(hù)等[2]。本文主要研究前三種抗干擾方法的實施方案。

2.2.1 儀表工作接地的問題

科學(xué)、合理的接地是儀表系統(tǒng)抑制干擾的有效手段之一。儀表的工作接地包括信號回路接地和屏蔽接地[3]。針對MTO和烯烴分離裝置出現(xiàn)的強(qiáng)干擾問題，依據(jù)干擾源的干擾機(jī)理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對全廠儀表系統(tǒng)的接地情況進(jìn)行徹底的排查，共查出以下五類問題。

①接地不規(guī)范問題。

接地不規(guī)范問題如下：部分接地系統(tǒng)的接地導(dǎo)線規(guī)格不符合要求；部分接地導(dǎo)線過長；接地線、接地分干線、接地干線和接地總干線的截面規(guī)格分配不科學(xué)，不是逐級增大，甚至有顛倒配置的情況；部分接地匯流排、接地匯總板的規(guī)格不符合要求；工作接地匯流排的絕緣支架損壞；工作接地與保護(hù)接地在總接地板前沒有實現(xiàn)完全絕緣；儀表及柜內(nèi)的保護(hù)接地、工作接地使用同一個匯流排；現(xiàn)場獨立設(shè)置的儀表柜內(nèi)保護(hù)接地與工作接地匯總后，沒有按要求接到全廠的等電位接地網(wǎng)上；個別需要進(jìn)行現(xiàn)場接地的儀表設(shè)備(如接地型熱電偶、PH計、電磁流量計等)，接地點不符合要求[4]；控制系統(tǒng)的24 V直流電源的負(fù)極存在不接地的情況。

②儀表電纜屏蔽問題。

儀表電纜屏蔽問題如下：個別儀表屏蔽電纜因屏蔽結(jié)構(gòu)不符合相關(guān)要求，屏蔽效果差；個別儀表測量回路的屏蔽層存在非單點接地的情況；儀表接線箱內(nèi)的電纜屏蔽層沒有在箱內(nèi)進(jìn)行跨接，甚至有的儀表回路從儀表接線箱到現(xiàn)場儀表設(shè)備連接的電纜沒有進(jìn)行屏蔽；在控制室側(cè)接地的屏蔽電纜的接地存在“豬尾巴效應(yīng)”[5]；需要在現(xiàn)場側(cè)對信號電纜屏蔽層進(jìn)行接地的儀表，實際上是在控制室側(cè)接地的。

③電纜敷設(shè)問題。

電纜敷設(shè)問題如下：儀表信號電纜與電源電纜敷設(shè)在同一根電纜保護(hù)管中；儀表信號電纜橋架與電氣專業(yè)的電力電纜橋架平行敷設(shè)的間距不符合要求；電纜布線的路徑不合理，靠近電磁干擾源的設(shè)備。

④接地連接電阻問題。

接地連接電阻問題如下：個別接地點的接地連接松動；接地連接點銹蝕；未能及時發(fā)現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)(safety instrument system，SIS)的漏地檢測器有報警信號。

⑤儀表電源問題。

儀表電源問題如下：儀表電源系統(tǒng)的零線(N)與保護(hù)零線(PE)未分開[6]。

2.2.2 儀表抗高頻干擾方面存在的問題

依據(jù)干擾源耦合機(jī)理，電容性耦合可以通過對儀表電纜屏蔽層單端接地進(jìn)行有效抑制。對于電感性耦合、電磁場耦合，則要根據(jù)噪聲源的頻率確定有效的抑制手段。當(dāng)干擾源頻率低于五倍的電纜截止頻率時，相應(yīng)的電纜屏蔽層應(yīng)進(jìn)行單端接地；當(dāng)干擾源頻率大于等于五倍的電纜截止頻率時，相應(yīng)的電纜應(yīng)進(jìn)行兩端或多點接地。

一般情況下，電纜屏蔽層單端接地可以有效防范低頻干擾，電纜屏蔽層兩端或多點接地可以有效防范高頻干擾。

現(xiàn)場儀表在防高頻干擾方面存在以下問題。

①儀表電纜敷設(shè)路徑不科學(xué)。

②部分儀表電纜沒有進(jìn)行全程屏蔽。

③電纜屏蔽層沒有實現(xiàn)兩端或多點接地，或相應(yīng)的接地點未與全廠的等電位接地網(wǎng)進(jìn)行可靠的電氣連接。

④電纜的內(nèi)層屏蔽和外層屏蔽沒有實現(xiàn)完全隔離，電纜屏蔽層屏蔽單絲直徑或屏蔽率不符合相關(guān)規(guī)定要求。

⑤電纜橋架與儀表電纜鍍鋅穿線管之間、儀表電纜鍍鋅穿線管與防爆撓性管之間，以及防爆撓性管與儀表外殼之間沒有實現(xiàn)可靠的電氣連接。

2.2.3 隔離和濾波方面存在的問題

通過儀表電源、信號線，將信號源、電源里夾帶的噪聲干擾直接傳導(dǎo)給儀表電路的耦合方式，稱為導(dǎo)線的直接傳導(dǎo)耦合。這種耦合干擾是常見的干擾方式。

儀表系統(tǒng)在防止這種干擾方面，主要存在以下問題。

①儀表電源質(zhì)量不高。

②信號回路抗干擾措施不完善。

③易受控制回路中變頻器等設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波的干擾。

3 儀表系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

噪聲通常是無法完全消除的。只要盡量減小噪聲，使它不再對儀表系統(tǒng)形成干擾，就可以達(dá)到抗干擾的目的。針對MTO和烯烴分離裝置DCS系統(tǒng)出現(xiàn)的強(qiáng)干擾問題，以及現(xiàn)場排查出的其他抗干擾方面存在的問題，依據(jù)干擾耦合機(jī)理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，采取切實可行的抗干擾技術(shù)來解決儀表系統(tǒng)的干擾問題。

3.1 完善儀表工作接地系統(tǒng)

3.1.1 完善的接地技術(shù)

完善的接地技術(shù)包括：按要求更換符合要求的接地線、接地匯流排、接地匯總板；確保接地匯流排、匯總板等的絕緣支架完好；確保工作接地與保護(hù)接地在總接地板前實現(xiàn)完全絕緣；確保所有接地連線在接到接地匯流排、匯總板前絕緣良好；確保儀表所有的接地點與全廠等電位接地網(wǎng)已進(jìn)行了可靠的電氣連接；確?，F(xiàn)場儀表沒有利用輸送或儲存可燃性物料的設(shè)備或管線作為接地點；確保非浮空設(shè)計的24 V直流電源的負(fù)極可靠接地。

3.1.2 電纜屏蔽技術(shù)

電纜屏蔽技術(shù)包括：在條件允許的情況下，替換屏蔽效果不好的電纜；確保電纜內(nèi)層屏蔽層在機(jī)柜間內(nèi)可靠接地[7],對于要求必須在現(xiàn)場接地的儀表，電纜屏蔽層僅在現(xiàn)場接地；保證從機(jī)柜間到現(xiàn)場儀表設(shè)備的電纜屏蔽的電氣連續(xù)性和非接地點的對地絕緣性；盡量縮短機(jī)柜間內(nèi)電纜伸出屏蔽層的長度；當(dāng)屏蔽電纜途徑接線盒分?jǐn)嗷蚝喜r，應(yīng)在接線盒內(nèi)將其兩端電纜的屏蔽層連接[8]。

3.1.3 電纜敷設(shè)技術(shù)

電纜敷設(shè)技術(shù)包括：確?？刂葡到y(tǒng)電纜敷設(shè)遠(yuǎn)離強(qiáng)電區(qū)、強(qiáng)磁設(shè)備，路徑合理[9]；儀表信號電纜不與電源電纜共用一個電纜保護(hù)管；儀表電纜橋架與電氣電纜橋架應(yīng)盡量交叉敷設(shè)，無法避免平行敷設(shè)時，兩者的間距應(yīng)符合儀表配管配線設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求。

3.1.4 科學(xué)的接地連接

科學(xué)的接地連接包括：檢查各接地點的接線情況，確保接地牢固、可靠，接地連接電阻小于等于1 Ω；檢查系統(tǒng)的漏地檢測器是否有報警，如果有報警，應(yīng)及時采取措施予以消除。

3.1.5 規(guī)范的儀表電源

規(guī)范的儀表電源包括：確保儀表交流電源采用TN-S系統(tǒng)，保證N線與PE線除了在變壓器中性點共同接地外，兩線不再有任何電氣連接。供電電纜的敷設(shè)應(yīng)選擇最短路徑，減少串入線路的干擾[10]。

3.2 儀表抗高頻干擾技術(shù)

儀表系統(tǒng)的高頻干擾源有很多，一般包括開關(guān)電源、變頻器以及自然界中的雷電，其中以雷電產(chǎn)生的干擾對儀表系統(tǒng)的影響最大。雷電干擾包括電容性耦合、電感性耦合和電磁場耦合。對于防雷電干擾，既要考慮防電容性耦合的單端接地措施，又要考慮防高頻電感性耦合、電磁場耦合的兩端或多點接地措施。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)電纜長度小于等于20 m時，應(yīng)進(jìn)行兩端接地；當(dāng)電纜長度大于20 m時，應(yīng)進(jìn)行多點重復(fù)接地[11]。

3.2.1 屏蔽接地技術(shù)

采用雙層屏蔽分別接地的措施，內(nèi)層屏蔽層單端接地，外層屏蔽層兩端或多點接地，所有接地線都與全廠等電位接地網(wǎng)進(jìn)行可靠的電氣連接，以確保內(nèi)、外屏蔽層相互絕緣且分別具有電氣連續(xù)性，而電纜完全處于屏蔽層的保護(hù)之內(nèi)。雙層屏蔽電纜的外屏蔽層可采用以下方法實現(xiàn)。

①分屏加總屏電纜的總屏蔽層。

②金屬鎧裝電纜的金屬鎧裝層。

③敷設(shè)電纜的金屬電纜槽、金屬保護(hù)管。

④鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電纜溝等。

3.2.2 合理布線

①減少敷設(shè)電纜的感應(yīng)環(huán)路面積。

②敷設(shè)的電纜盡量遠(yuǎn)離高頻干擾源頭設(shè)備以及防雷引下線。

3.2.3 配備浪涌保護(hù)器

針對重要裝置區(qū)內(nèi)的儀表電源、信號回路，應(yīng)該在主電路空氣開關(guān)和熔斷器的負(fù)荷側(cè)采用共模接法，在三根相線和PE線之間，各自安裝一個過流保護(hù)器和一個浪涌保護(hù)器(surge protection device,SPD)，在N線和PE線之間安裝一個SPD。另外，當(dāng)室外敷設(shè)的電纜長度大于50 m時，應(yīng)該在線路兩側(cè)裝設(shè)SPD。

3.3 隔離和濾波技術(shù)

3.3.1 電源的屏蔽、濾波及隔離

非不間斷電源供電的儀表電源應(yīng)采用合格的隔離變壓器，同時要求選用的開關(guān)電源的整流二極管反向恢復(fù)時間要短，以便減小開關(guān)電源的輸出噪聲；另外，開關(guān)電源本身應(yīng)該進(jìn)行屏蔽接地，電源線要合理布線，以減少線路分布電容的不一致性。

3.3.2 信號的濾波和隔離

無論是模擬信號，還是數(shù)字信號，都應(yīng)該進(jìn)行有效的濾波，這是避免導(dǎo)線直接傳導(dǎo)噪聲的常用方法。解決干擾問題的更有效辦法是對信號傳輸進(jìn)行隔離。

3.3.3 抑制高次諧波

抑制高次諧波的干擾可以選用不產(chǎn)生高次諧波的變頻器，也可以采用具有光電隔離功能的輸出卡隔離變頻器產(chǎn)生的高次諧波，還可以在變頻器的給定輸入信號端并接一個電容器來濾除高次諧波。

4 結(jié)束語

儀表系統(tǒng)的干擾問題十分復(fù)雜，對生產(chǎn)造成的影響非常大，所以儀表抗干擾技術(shù)的研究和應(yīng)用就顯得尤為重要。在采用科學(xué)、合理的抗干擾技術(shù)對排查出來的問題進(jìn)行整改，并通過完善相關(guān)規(guī)章制度規(guī)范裝置區(qū)域內(nèi)的施工作業(yè)后，沒有再出現(xiàn)因干擾造成儀表系統(tǒng)工作異常的情況，確保了煤制烯烴項目各裝置的安全、平穩(wěn)、高效生產(chǎn)。

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