影響DCS系統(tǒng)信號穩(wěn)定的問題探討及對策

馬孝貴

（山西晉煤天源化工有限公司，山西 高平 048400）

煤化工生產(chǎn)中集散控制系統(tǒng)（DCS）的穩(wěn)定性對化工廠的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。DCS 的控制功能涵蓋了化工廠的模擬量控制系統(tǒng)、開關(guān)量邏輯系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)、復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)和外圍的輔控系統(tǒng)等，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)信號的穩(wěn)定運行及抗干擾措施是否合理到位，直接影響系統(tǒng)的可靠運行，甚至會造成生產(chǎn)裝置的安全事故。為此，控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)信號的穩(wěn)定運行及抗干擾措施的科學合理設(shè)計和實施顯得尤為重要。

本文針對某公司由于離心壓縮機組本特利3500 軸位移及軸振動信號受干擾，造成離心壓縮機組停車[1]；西門子PCS7-400DCS 控制系統(tǒng)重要模擬量信號受干擾，造成凈化和合成工段非正常停車兩起事件，分析了西門子PCS7-400DCS 系統(tǒng)干擾信號產(chǎn)生的原因，提出了離心機組3500軸振動位移監(jiān)測系統(tǒng)與西門子PCS7-400DCS 控制系統(tǒng)信號穩(wěn)定運行的對策并予以實施。

1 事件原因過程檢查

1.1 離心壓縮機軸振動及軸位移信號受干擾引起機組跳車

某公司某離心壓縮機在停車檢修后開車期間，汽輪機沖轉(zhuǎn)正常進行，期間機組在無任何報警信息及異常的情況下突然跳車。查看歷史趨勢及SOE 第一報警記錄，顯示跳車第一事件報警信號為機組軸位移高高聯(lián)鎖，且歷史趨勢顯示壓縮機兩端軸位移及軸振動同一時間劇烈波動。由于機組軸振動未設(shè)置聯(lián)鎖，只有軸位移設(shè)置停機聯(lián)鎖，并達到聯(lián)鎖值，造成機組停車。因軸位移信號先進入到本特利3500 控制器，同時通過通訊將信號傳輸至ITCC 控制系統(tǒng)進行顯示、報警，兩套系統(tǒng)同時進行信號監(jiān)測，同時發(fā)生大幅度波動，超過了聯(lián)鎖定值。因為該套機組的位移聯(lián)鎖邏輯為二取二，即3500 控制系統(tǒng)與ITCC 控制系統(tǒng)同時指示高高聯(lián)鎖動作，并不是單邏輯保護。

通過歷史曲線可以觀察到兩端的軸位移及軸振動共同出現(xiàn)了大幅度的波動及數(shù)值跳變，但實際情況下機組正常運行的工況以及各工藝指標、參數(shù)分析離心機兩端軸位移及軸振動出現(xiàn)大幅度波動及數(shù)值跳變的情況幾乎不可能，基本判斷軸振動及軸位移受到干擾。進一步排查軸振動及位移的信號通訊電纜，軸振動及軸位移測點信號是用24 芯帶屏蔽同一根電纜從現(xiàn)場中間接線箱傳至3500 監(jiān)測系統(tǒng)控制柜的，這條信號電纜在3500 監(jiān)測機柜側(cè)屏蔽線已接地，同時檢查現(xiàn)場接線箱端子排處屏蔽線絕緣膠帶包裹并懸空，這樣就避免了兩端接地造成共模干擾的可能性。為了找到事故根源，徹底解決干擾源，在與機組操作工及工藝生產(chǎn)管理人員協(xié)商后，工藝人員加強監(jiān)盤操作；同時儀表人員摘除相關(guān)的軸位移高高聯(lián)鎖，共同做好相關(guān)的應急處理措施后，工藝重新啟機同時儀表檢修人員使用高頻信號發(fā)生器等專用設(shè)備在3500 監(jiān)測系統(tǒng)卡件處和現(xiàn)場中間接線箱接線端子處發(fā)射出模擬射頻干擾源，并沒有發(fā)現(xiàn)軸位移及軸振動有大幅度波動及數(shù)值跳變的情況。隨后，進一步詢問現(xiàn)場工藝人員，了解到軸位移及軸振動大幅波動的時候，工藝正在檢修機組冷凝液泵，處于試車階段，有啟動高壓設(shè)備的情況。

隨即對軸位移及軸振動測點24 芯屏蔽信號電纜進行檢查，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場儀表鍍鋅穿線管在進入橋架一側(cè)有磨損破皮現(xiàn)象，同時信號電纜屏蔽線與鍍鋅穿線管完全連接，從而造成多點接地，并且在電纜橋架處發(fā)現(xiàn)儀表信號線與高壓動力電纜有交匯的現(xiàn)象，隨后儀表檢修人員對儀表信號線重新規(guī)整與動力電纜分開敷設(shè)，并將24 芯儀表信號電纜屏蔽層進行處理并用絕緣膠帶重新徹底包裹。處理后恢復軸位移高高跳車聯(lián)鎖，觀察多日，軸位移及軸振動測點均顯示正常，未發(fā)生軸位移及軸振動大幅度波動的現(xiàn)象。由此判斷，現(xiàn)場高壓設(shè)備瞬間啟動電流對軸位移及軸振動信號造成了干擾。

1.2 DCS系統(tǒng)信號干擾引起凈化、雙甲工段停車

某公司一次氨合成系統(tǒng)非正常停車，工藝DCS 操作人員反映在停車前凈化、雙甲工段重要的調(diào)節(jié)回路信號指示出現(xiàn)劇烈波動，并且西門子PCS7-400DCS 系統(tǒng)數(shù)值顯示出現(xiàn)虛假偏高假象，由此可初步判斷DCS 系統(tǒng)信號受到了外界較強的干擾。

以上波動的信號全部為冗余信號，且西門子PCS7-400DCS 系統(tǒng)冗余的實現(xiàn)全部是將IO 模塊分布在不同的機柜及不同的站上，及站的不同卡槽上，雖然冗余的系統(tǒng)同時出現(xiàn)故障的概率幾乎沒有，但是檢修人員首先還是對PCS7-400DCS 系統(tǒng)進行了全面檢查，分別排查了冗余卡件通道、冗余接線器、冗余通訊卡件、冗余網(wǎng)絡交換機及網(wǎng)線、冗余24V 直流電源模塊等，對DCS 系統(tǒng)內(nèi)部進行全面排查，均未發(fā)現(xiàn)異常[4]。由于大幅度波動信號主要發(fā)生在凈化系統(tǒng)脫碳塔及汽提塔液位調(diào)節(jié)及壓力處，與雙甲工段甲醇分離器液位及壓力調(diào)節(jié)處，現(xiàn)場檢查各裝置測點的壓力檢測變送裝置（EJA 變送器）、液位檢測變送裝置（羅斯蒙特法蘭式差壓變送器），信號電纜的絕緣措施、屏蔽接地措施等均未發(fā)現(xiàn)異常情況。隨后儀表人員現(xiàn)場采用標準信號發(fā)生器將信號傳輸?shù)紻CS 處進行打點試驗，觀察到DCS 顯示仍然有波動的情況，從而進一步判斷出標準信號在傳輸過程中受到了干擾?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)在DCS 信號出現(xiàn)劇烈波動時，設(shè)備檢修人員正在進行電焊作業(yè)，作業(yè)的工作電源為電氣檢修的380V 臨時電源，且電焊機接地線搭接在儀表穿線管支架角鐵上。因此，能更加明確地判斷到電焊機在工作時電源存在干擾，且電源干擾以電磁波的方式串入到DCS 信號的測量回路中，從而造成信號波動及信號疊加的情況。為了進一步證明判斷的是否準確，在確保系統(tǒng)能安全運行，并做好充足的應急處置預案、措施及實施辦法后，開始電焊作業(yè)。DCS 測量信號又出現(xiàn)劇烈波動，并且數(shù)值有疊加顯示偏高的假象。斷開電焊機接地現(xiàn)場停止作業(yè)后，DCS 測量信號恢復正常。隨后儀表檢修人員對現(xiàn)場施工檢修作業(yè)的電焊機接地進行了檢查處理，同時檢查并發(fā)現(xiàn)儀表電子間接地總引線與接地網(wǎng)接地扁鐵連接處接線端子有銹蝕現(xiàn)象，且接地網(wǎng)的阻值偏高，對接地扁鐵進行打磨防銹處理，并重新壓制接線端子進行可靠連接后恢復正常。由此判定，電焊機工作時電流對DCS 采集信號的傳輸造成了干擾。

2 事件原因分析

由于DCS 系統(tǒng)采集的信號一般都是微弱的電流信號，這種微弱的電流信號需要經(jīng)過從現(xiàn)場到控制系統(tǒng)這樣長距離的傳輸，對于DCS 系統(tǒng)來說，干擾信號的來源主要是電阻耦合引入的干擾，電容電感耦合引入的干擾，計算機供電線路上引入的干擾，雷擊造成的干擾。這些干擾信號疊加或串入到DCS 信號后，會對DCS 的采集信號產(chǎn)生干擾，采集信號就會出現(xiàn)不同程度的波動及跳變等現(xiàn)象。因此，現(xiàn)場設(shè)備中的諸如高壓電氣設(shè)備產(chǎn)生較強的電磁場和電磁波輻射，馬達設(shè)備產(chǎn)生的強磁場都會以不同方式串入到DCS 系統(tǒng)中。因此，對DCS 系統(tǒng)造成了強烈干擾，出現(xiàn)虛假指示的假象。

3 提升DCS系統(tǒng)信號穩(wěn)定的對策與影響

3.1 信號電纜對DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響

DCS 系統(tǒng)采集的信號電纜必須使用帶屏蔽的雙絞線，這樣可以提高DCS 系統(tǒng)的抗干擾能力，并且DCS 模擬量信號和開關(guān)量信號電纜不能和動力電纜及其他電纜一起存在于同一電纜槽中，信號電纜應單獨使用儀表橋架和電纜保護穿線管。所以在DCS 信號電纜布線過程中，應注意將不同類型的信號線分開鋪設(shè)，特別是動力電纜與信號電纜應分布在不同的電纜橋架內(nèi)。

3.2 正確使用與完善接地對DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響

在DCS 系統(tǒng)中，干擾是指串入或者疊加在系統(tǒng)電源、信號線上的與采集信號無關(guān)的電信號，干擾會造成DCS 系統(tǒng)測量的誤差，嚴重的干擾甚至有可能造成系統(tǒng)停車和設(shè)備損壞。DCS 系統(tǒng)的接地處理是信號抗干擾最有效的方法，接地可以理解為一個等電位點或等電位面，作為電路或系統(tǒng)的基準電位，但不一定就是大地電位。保護接地必須在大地電位上，信號地線可根據(jù)實際情況設(shè)計并不一定就是大地電位。

接地的作用可以劃分為兩種：一種是指為了保護人身安全和設(shè)備運行不受損害的接地措施叫作保護接地。保護接地就是在DCS 系統(tǒng)中的金屬外殼都處于大地點位，以此起到保護設(shè)備和人身安全的目的，所以必須確保金屬外殼和地之間形成回路，除此保護接地還可以防止靜電的目的。保護地線應接至廠區(qū)電氣接地網(wǎng)或設(shè)備所在地的建筑地上，接地電阻應小于4Ω。保護接地又分為防電擊接地、防雷接地和防電蝕接地[2]。另一種是功能性接地：功能性接地是為了提高系統(tǒng)的抗干擾，為了使DCS 以及與其所連接的儀表可靠運行。一般來說，功能性接地可以分為工作接地、邏輯接地、信號回路接地、屏蔽接地。

工作接地：為了保證電力系統(tǒng)運行，防止系統(tǒng)震蕩，保證繼電保護的可靠性，在直交流電力系統(tǒng)的適當?shù)胤竭M行接地。

邏輯接地：為了確保穩(wěn)定的參考電位，將電子設(shè)備中的適當金屬件作為邏輯地，一般采用金屬底板作邏輯地。

信號回路接地：是各儀表設(shè)備，測量變送裝置的負端接地，開關(guān)量信號的負端接地等；信號回路地是DCS 系統(tǒng)對外界信號輸入、輸出的信號基準參考電平，為了減少干擾電平對信號回路的影響，統(tǒng)一基準電平的前提是現(xiàn)場的信號源裝置及DCS 系統(tǒng)的IO 電路對地處于同一電位。

屏蔽接地：也稱為模擬地，將電氣干擾源引入大地，抑制外來電磁干擾對電子設(shè)備的影響，也可減少電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾影響其他電子設(shè)備[3]。這種接地方法可以屏蔽DCS 采集信號傳輸所受到的干擾，提高采集信號的質(zhì)量和精度。

4 實施效果

DCS 控制系統(tǒng)信號穩(wěn)定運行及干擾是一個十分復雜的問題，本文僅以某公司兩起事件介紹了DCS 控制系統(tǒng)信號穩(wěn)定運行及干擾產(chǎn)生的原因及應對對策，通過正確分析DCS 系統(tǒng)運行時干擾源的來源、種類、易存在干擾源的部位，及如何應對干擾對DCS 控制系統(tǒng)的影響，綜合運用接地及隔離等對策，保證DCS 系統(tǒng)及本特利3500 軸瓦監(jiān)測系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，高效發(fā)揮DCS 控制系統(tǒng)在化工生產(chǎn)過程中的監(jiān)視、控制等作用。