電磁場環(huán)境中提高DCS干擾抑制能力的探討

龔有明

（云南化工設(shè)計(jì)院有限公司，云南昆明650041）

在工業(yè)領(lǐng)域，由于工程環(huán)境復(fù)雜，產(chǎn)生干擾源的因素多種多樣，如電磁場、磁場、高低壓開關(guān)分合閘、變頻器、對講機(jī)、雷電等，感受體受到干擾的影響程度也不相同。對于以電子設(shè)備為主的分散控制系統(tǒng)（DCS）來說，由于系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多，I/O端口多，連接的電纜較長，為干擾入侵控制系統(tǒng)提供了條件；在多數(shù)情況下，干擾的產(chǎn)生已影響到DCS的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起安全事故。筆者結(jié)合某黃磷工程項(xiàng)目實(shí)例，分析、總結(jié)了在電磁場環(huán)境下提高DCS的抗干擾抑制能力的方法。

1 黃磷生產(chǎn)工藝簡介

黃磷生產(chǎn)工藝采用電爐法，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，在電爐內(nèi)熔融磷礦石、焦炭和硅石，產(chǎn)生含磷氣體后，冷凝、吸收、凈化后得到黃磷，生產(chǎn)裝置控制采用電儀一體化的DCS。

中國的黃磷工業(yè)雖然起步較晚，但經(jīng)過多年來各地黃磷裝置的大量建設(shè)，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，由于原料及運(yùn)行成本的原因，目前國內(nèi)黃磷裝置單臺(tái)爐大都采用2×104～3×104k V·A的磷爐變壓器，6根φ600 mm或7根φ700 mm的石墨電極；實(shí)際工程中磷爐變壓器的額定容量為2.5×104k V·A，6根φ600 mm石墨電極。磷爐變壓器二次側(cè)到電爐的運(yùn)行工況為三相電流、頻率為50 Hz的低電壓及大電流，在該工況下，將不可避免產(chǎn)生強(qiáng)的電磁場。由于工藝控制室要求盡可能靠近電爐爐蓋，以便操作人員能看到現(xiàn)場電極的升降工作情況，在以往的工程設(shè)計(jì)中，控制室中的DCS始終處在強(qiáng)電磁場的環(huán)境中，雖然控制室采取了屏蔽等措施來抑制電磁干擾，但DCS還是不能很好地正常運(yùn)行，CRT顯示的圖像?；味秳?dòng)，嚴(yán)重影響了操作人員的正常工作。

2 干擾源分析

干擾DCS正常運(yùn)行的因素多種多樣，有電磁場、磁場、雷電、高低壓開關(guān)分合閘、變頻器、對講機(jī)、大功率用電設(shè)備、各種噪聲、耦合、儀表系統(tǒng)接地不良等。在這些干擾因素中，對DCS影響比較大且較難抑制的是電磁場。結(jié)合工程實(shí)際，主要討論電磁場對DCS運(yùn)行的影響。磁場干擾種類[1]包括：

1)交流磁場。一般由周圍的交流電流產(chǎn)生，如磷爐變壓器三相輸出的低電壓、大電流產(chǎn)生的磁場。

2)工頻磁場。這是最常見的干擾，如導(dǎo)體中的工頻電流產(chǎn)生的磁場，還有極少數(shù)變壓器、電動(dòng)機(jī)等電力設(shè)備產(chǎn)生的漏磁。

3)脈沖磁場。它是由雷擊建筑物和其他金屬構(gòu)架，包括天線桿、引下線、接地體和接地網(wǎng)以及在低壓、中壓和高壓電力系統(tǒng)中因故障的起始暫態(tài)產(chǎn)生的，也可以在高壓變電所，因斷路器切合高壓母線和高壓線路時(shí)產(chǎn)生，其波前時(shí)間和半峰時(shí)間都是微秒級(jí)的。

4)射頻電磁場。對講機(jī)、變頻器、電焊機(jī)等產(chǎn)生的電磁輻射。

5)阻尼振蕩磁場。磷爐變壓器的隔離開關(guān)分合閘時(shí)產(chǎn)生的磁場。

根據(jù)黃磷電爐法生產(chǎn)工藝的特性，磷爐變壓器的位置應(yīng)盡量靠近電爐，通常在10 m以內(nèi)，三相磷爐變壓器通過短網(wǎng)銅排與電爐電極把持器連接，每相有4根銅排分別接到電爐電極把持器上，共有12根銅排，對6根石墨電極做功，將電能轉(zhuǎn)換為熱能。實(shí)際生產(chǎn)中爐內(nèi)工況復(fù)雜且不斷變化，為了使黃磷爐的電耗最低，需要不斷地調(diào)節(jié)電極的升降，使得磷爐變壓器的三相平衡，電源中性點(diǎn)處于“零”狀態(tài)，此時(shí)變壓器的效率最高，通常采用控制調(diào)節(jié)磷爐變壓器的二次電壓和二次電流來達(dá)到電源中性點(diǎn)處于“零”狀態(tài)。由于二次電流的不斷變化，產(chǎn)生了強(qiáng)的電磁場，雖然銅排在布置上已充分考慮到每根銅排產(chǎn)生的磁場，盡可能相互耦合抵消或消弱，但實(shí)際上銅排周圍環(huán)境中還是有較強(qiáng)的電磁場，且是無規(guī)則的；在有碳鋼部件的法蘭、管道處，因處理措施不當(dāng)產(chǎn)生電磁渦流，導(dǎo)致碳鋼部件發(fā)熱發(fā)紅的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

3 干擾抑制方法

3.1 控制室的位置

由于電磁的特性取決于源、源周圍的介質(zhì)以及源和觀察點(diǎn)之間的距離，將輻射源周圍的空間分為兩個(gè)區(qū)域，即近場和遠(yuǎn)場（感應(yīng)場和輻射場）。

1)在遠(yuǎn)場中，電磁波十分規(guī)整，電場和磁場在強(qiáng)度上有固定的比例關(guān)系，通常把電場強(qiáng)度E和磁場強(qiáng)度H的比值定義為波阻抗Z，即：

式中：E——電場強(qiáng)度，V/m；H——磁場強(qiáng)度，A/m。

2)對近場而言，波阻抗取決于干擾源的特性以及離干擾源的距離，近場主要為磁場，波阻抗呈低阻抗特性以電感耦合的噪聲為主[1]。根據(jù)這一理論，將通過低電壓、大電流的短網(wǎng)銅排產(chǎn)生的電磁場的區(qū)域劃分為近場，離近場區(qū)域越遠(yuǎn)干擾源對感受體的干擾越小，通常兩者之間的距離應(yīng)大于λ/2，λ為電磁波的波長，DCS控制室的位置處于遠(yuǎn)場中，即自由空間，受到電磁場的干擾程度是最低的。實(shí)際工程中將DCS控制室布置于緊靠廠房外的端頭，生產(chǎn)裝置投運(yùn)以來DCS穩(wěn)定工作，因而合理設(shè)置控制室位置可大幅提高DCS的抗干擾能力。

3.2 控制室的屏蔽

控制室的屏蔽方式主要有建筑物的自身屏蔽、金屬網(wǎng)格的格柵型大空間屏蔽和用金屬板材圍成的殼體屏蔽等[1]。建筑物的自身屏蔽效果要差一些，適用于工程環(huán)境不復(fù)雜，干擾源不多或控制室遠(yuǎn)離干擾源的環(huán)境；金屬板材圍成殼體的屏蔽效果最好，適用于工程現(xiàn)場條件有限的場合。如某黃磷裝置的控制室屏蔽就是采用該方式，設(shè)計(jì)時(shí)用3 mm的碳鋼板敷設(shè)到控制室內(nèi)的6個(gè)墻面，為了不讓磁場在控制室內(nèi)形成磁環(huán)，必須每面墻上的鋼板不連接，保留很小的縫隙，其缺點(diǎn)是投資較大，施工困難。金屬網(wǎng)格的格柵型大空間屏蔽可以根據(jù)控制室所處環(huán)境選擇格柵寬度來達(dá)到屏蔽效果。

從上述磁場干擾的種類來說，交流磁場和雷電產(chǎn)生的脈沖磁場對控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)影響最大，由于交流磁場的磁場強(qiáng)度較難確定，可參照雷電產(chǎn)生的脈沖磁場來計(jì)算金屬網(wǎng)格的格柵型大空間屏蔽網(wǎng)格寬度，并按閃電擊在控制室建筑物以外附近的情況和閃電直接擊在控制室建筑物上兩種情況來計(jì)算網(wǎng)格寬度，文獻(xiàn)[1]已針對這兩種情況作了網(wǎng)格寬度計(jì)算，該處需注意，閃電擊于控制室建筑物以外附近的情況，其計(jì)算的前提條件是雷擊點(diǎn)至屏蔽空間的平均距離為30 m，鋼筋半徑為5 mm。在工程應(yīng)用中可結(jié)合實(shí)際情況參考選取屏蔽網(wǎng)格寬度，該處不再贅述。

該項(xiàng)目中控制室的屏蔽采用的是格柵型屏蔽方式。由于控制室的位置緊靠主廠房端頭，可按閃電擊于建筑物以外附近的情況來選擇屏蔽網(wǎng)格寬度。因控制系統(tǒng)各廠家的脈沖磁場抗擾度可能不一樣，選擇時(shí)最好按要求高的選取，即脈沖磁場抗擾度為100 A/m，一般情況為300 A/m，雷電防護(hù)等級(jí)為A級(jí)，網(wǎng)格寬度不大于0.38 m，距屏蔽壁的最短安全距離不小于0.78 m。工程設(shè)計(jì)中，網(wǎng)格屏蔽的材質(zhì)為碳鋼，為了降低造價(jià)，屏蔽鋼筋半徑為3 mm，網(wǎng)格寬度為0.15 m，施工時(shí)屏蔽網(wǎng)格相鄰面不連接，留有縫隙，避免形成磁場回路，且要可靠接地。

3.3 信號(hào)隔離

DCS接收到的I/O信號(hào)不完全是熱電偶、熱電阻、變送器等弱電信號(hào)，通常還包括電氣控制器信號(hào)，如變頻器、各種開關(guān)信號(hào)、交流互感器的電壓電流信號(hào)等，它們之間的信號(hào)傳輸既有微弱到毫伏級(jí)、微安級(jí)的小信號(hào)，又有幾十伏，甚至數(shù)千伏、數(shù)百安培的大信號(hào)；既有低頻直流信號(hào)，也有高頻脈沖信號(hào)等，各種干擾將通過信號(hào)線、電源線以及通信線等被直接傳到DCS的電子電路，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至誤操作。對所有I/O信號(hào)應(yīng)采用信號(hào)隔離器進(jìn)行隔離，對供電電源采用UPS進(jìn)行隔離，可有效地抑制和降低對DCS的干擾。

3.4 儀表接地

儀表接地系統(tǒng)對DCS抗干擾抑制是不可缺失的，尤其是電磁場環(huán)境和雷電較多的地區(qū)，儀表系統(tǒng)接地種類分為保護(hù)接地、工作接地、本質(zhì)安全系統(tǒng)接地、防靜電接地和防雷接地。在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮工程環(huán)境，按照SH/T 3081—2003《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》和HG/T 20513—2014《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》做好接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，施工時(shí)做好監(jiān)督和隱蔽工程的驗(yàn)收，將會(huì)很好地抑制或消除干擾。

4 結(jié)束語

抑制電磁場對DCS的干擾是比較復(fù)雜且不易解決的工作，儀表工程設(shè)計(jì)人員往往因?qū)?qiáng)電流產(chǎn)生的磁場環(huán)境分析較困難而忽視了電磁場干擾問題，造成在工程設(shè)計(jì)時(shí)對電磁場的干擾抑制采取的措施不夠，項(xiàng)目建成后發(fā)現(xiàn)DCS不能穩(wěn)定正常工作和安全運(yùn)行，再采取整改措施，就需要很大的投入，有時(shí)甚至非常困難。類似于黃磷裝置大功率做功，將電能轉(zhuǎn)換為熱能的化工裝置控制室設(shè)計(jì)，需要對電磁場環(huán)境作分析研究，合理設(shè)置控制室的位置和采取必要的抗干擾措施，將會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。