加熱爐控制系統(tǒng)中信號(hào)抗干擾措施的研究與應(yīng)用

甄玉山 劉運(yùn)洲

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司）

加熱爐是化工企業(yè)的常規(guī)熱能動(dòng)力設(shè)備，具有一定的危險(xiǎn)性，加熱爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要的因素。 但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場(chǎng)儀表有用的信號(hào)上經(jīng)常會(huì)疊加一些與被測(cè)信號(hào)無關(guān)的電壓或電流信號(hào)，這種無關(guān)的信號(hào)被稱為“干擾”。 如果從現(xiàn)場(chǎng)儀表反饋到中控室的測(cè)量信號(hào)受到干擾，測(cè)量信號(hào)就無法反映現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的數(shù)據(jù)，從而影響加熱爐控制系統(tǒng)的效果和精度，這些是干擾造成的最基本的危害。 如果加熱爐控制系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵信號(hào)受到干擾，不僅影響裝置平穩(wěn)高效生產(chǎn)，而且很容易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)鎖停車，造成生產(chǎn)被動(dòng)甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)事故或安全事故。 為此，在實(shí)際工程中，一般采用信號(hào)電纜屏蔽、系統(tǒng)接地、信號(hào)濾波及電氣隔離等各種抗干擾方法，防止干擾對(duì)設(shè)備的影響。

在某大型加熱爐項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試階段，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力信號(hào)受到干擾的情況比較嚴(yán)重。 為此，深入分析現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)存在的干擾現(xiàn)象，找出干擾源并采取相應(yīng)的抗干擾措施， 盡可能地提高儀表信號(hào)的抗干擾能力，從而降低加熱爐運(yùn)行的安全隱患，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 分析過程

1.1 問題描述

加熱爐主要包括： 加熱爐本體、 燃燒器、煙囪、燃?xì)夤芫€及物料管線等。 加熱爐控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表主要包括溫度變送器、 壓力變送器、流量計(jì)及電控閥門等［1］。

在某大型加熱爐項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試階段，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力信號(hào)受到干擾的情況比較嚴(yán)重。 有十余支溫度變送器工作一段時(shí)間后陸續(xù)出現(xiàn)故障。 該項(xiàng)目共設(shè)置了75 支溫度變送器，故障率達(dá)到了13.3%。 同時(shí)控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面上壓力數(shù)值異常波動(dòng)也比較大，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生誤報(bào)警聯(lián)鎖。 溫度和壓力信號(hào)顯示值的嚴(yán)重干擾問題已經(jīng)影響到裝置的正常生產(chǎn)，需要盡快排查解決。

1.2 原因分析

通常所說的干擾是指電磁干擾，產(chǎn)生干擾的途徑很多。 電氣設(shè)備在工作過程中會(huì)產(chǎn)生間歇或連續(xù)的電壓電流變化，這部分電磁能量會(huì)通過相應(yīng)的電路傳導(dǎo)到周圍的環(huán)境中，從而對(duì)周圍的儀表設(shè)備產(chǎn)生干擾。 另外，現(xiàn)場(chǎng)的熱噪聲、機(jī)械振動(dòng)等也可能給儀表測(cè)量造成一定的干擾。 所以儀表在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不僅要有良好的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)也需要排除這些干擾造成的影響，否則儀表就不能反饋正確的信號(hào)，影響裝置設(shè)備的正常生產(chǎn)。

各種干擾有不同的產(chǎn)生原因和來源，基本可歸類為外部干擾和內(nèi)部干擾兩類：

a. 外部干擾一般可分為外部線路的電磁干擾、電源干擾及線路接地干擾等；

b. 內(nèi)部干擾即儀表本身的一些電氣元件（如電源模塊、繼電器及線圈等）產(chǎn)生的干擾。

在對(duì)干擾做了全面分析的基礎(chǔ)上，要想抑制干擾，需要在3 個(gè)方面采取措施：消除或抑制干擾源、破壞干擾傳播途徑和降低接收電路對(duì)干擾的敏感性［2］。

1.3 確認(rèn)干擾原因

針對(duì)該項(xiàng)目儀表信號(hào)被嚴(yán)重干擾的問題，對(duì)造成這些故障的各種原因進(jìn)行了細(xì)致分析，經(jīng)匯總歸納，從多個(gè)方面總共尋找到3 項(xiàng)對(duì)儀表信號(hào)造成干擾的末端原因，以下逐項(xiàng)分析。

1.3.1 儀表內(nèi)部無電氣隔離

為了排查溫度變送器的干擾問題，現(xiàn)場(chǎng)儀表維護(hù)工程師拆下故障溫度變送器， 用萬用表查驗(yàn)。 檢查發(fā)現(xiàn)熱電阻的阻值全部正常，但是經(jīng)溫度變送模塊轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)出現(xiàn)異常，異常的電流信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至控制柜，導(dǎo)致上位機(jī)監(jiān)控畫面上顯示異常。 因此，初步確認(rèn)是溫度變送模塊存在問題。 由于該項(xiàng)目采用的溫度變送模塊沒有隔離功能，導(dǎo)致信號(hào)易受干擾。 因此儀表內(nèi)部無電氣隔離是主要原因。

1.3.2 電氣柜干擾

電氣柜在變頻器啟動(dòng)或運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生諧波并對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，而且在輸出時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，影響周邊設(shè)備的運(yùn)行。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)， 儀表控制柜和電氣柜之間有兩個(gè)交接信號(hào)通過硬線連接， 若斷開這兩個(gè)信號(hào)，則監(jiān)控畫面中壓力數(shù)值的異常波動(dòng)消失。 電氣柜內(nèi)含一臺(tái)大功率變頻器， 變頻器產(chǎn)生的電磁輻射極有可能通過電纜將干擾引入到儀表控制柜， 導(dǎo)致進(jìn)入儀表控制柜的其他信號(hào)也受到影響，產(chǎn)生了異常波動(dòng)。 因此電氣柜干擾是主要原因。

1.3.3 信號(hào)線路干擾

交流電動(dòng)機(jī)、變頻器等設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，儀表測(cè)量或者控制電纜通過交變磁場(chǎng)時(shí)就會(huì)受到影響，在儀表的信號(hào)回路中感應(yīng)出交流電壓從而成為干擾信號(hào)。

一般工程中可使用數(shù)字萬用表的交流毫伏擋測(cè)量干擾電壓，干擾電壓大多在幾毫伏到幾十毫伏的范圍內(nèi)。 通過在儀表柜端子排上對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，壓力信號(hào)確實(shí)存在幾毫伏到十幾毫伏不等的干擾電壓。 因此信號(hào)線路干擾是主要原因。

2 對(duì)策制定與實(shí)施

針對(duì)上一個(gè)環(huán)節(jié)中分析得出的3 個(gè)要因，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)制定了對(duì)策表，見表1。

表1 對(duì)策表

2.1 選用具有隔離功能的儀表

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期，現(xiàn)場(chǎng)的溫度變送模塊選用的是常規(guī)的非隔離模塊，但是由于該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，溫度變送器出現(xiàn)了嚴(yán)重干擾。 為了提高儀表本身的抗干擾能力，將現(xiàn)場(chǎng)所有溫度轉(zhuǎn)換器由非隔離模塊升級(jí)為隔離模塊。 待廠家更換的新模塊到貨后， 現(xiàn)場(chǎng)儀表維護(hù)工程師將現(xiàn)場(chǎng)75 支溫度變送器的溫度轉(zhuǎn)換器全部更換。 更換完成后，溫度變送信號(hào)基本恢復(fù)正常。

2.2 控制柜內(nèi)增加隔離器

為了消除從電氣柜的變頻器引入的干擾，可在信號(hào)回路中加裝信號(hào)隔離器，通過通道的隔離可以切斷外部干擾竄入輸入/輸出通道的渠道，以此消除信號(hào)回路中的干擾。 需要注意的是，隔離器的電源應(yīng)該與對(duì)應(yīng)的測(cè)量或控制儀表采用同一電源，并保證不引起信號(hào)失真。

每臺(tái)加熱爐對(duì)應(yīng)的儀表柜和電氣柜之間的交接信號(hào)有兩個(gè)，分別為變頻器的頻率值和反饋電流。 重新采購了一批信號(hào)隔離器并對(duì)儀表柜和電氣柜進(jìn)行改造，給兩個(gè)交接信號(hào)通道新增了信號(hào)隔離器。 從監(jiān)控畫面中可以明顯看出，增加隔離器后，變頻器的反饋電流和現(xiàn)場(chǎng)的壓力數(shù)值波動(dòng)明顯變小，說明在一定程度上抑制了信號(hào)的干擾現(xiàn)象。

2.3 壓力信號(hào)回路增加電容濾波

為了降低信號(hào)線路受到的干擾， 工程上一般可以在信號(hào)回路中增加濾波電容 （約0.033μF）， 給干擾信號(hào)提供泄放通道。 具體操作是： 首先在信號(hào)回路中先試著接入小容量的濾波電容， 如有效果可逐漸增大容量。 在增大電容容量的過程中， 一旦發(fā)現(xiàn)信號(hào)出現(xiàn)衰減，就應(yīng)減少當(dāng)前的電容容量， 選取上一擋電容?，F(xiàn)場(chǎng)儀表維護(hù)工程師將波動(dòng)比較明顯的壓力回路中串入0.033μF 的電容后， 監(jiān)控畫面中壓力值異常波動(dòng)減弱， 與現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器表頭顯示值 一 致［3］。

3 結(jié)束語

在某大型加熱爐項(xiàng)目調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力信號(hào)干擾較嚴(yán)重的情況，通過實(shí)施采用隔離功能的儀表、控制柜內(nèi)增加隔離器和壓力信號(hào)回路增加電容濾波的抗干擾措施，加熱爐信號(hào)干擾問題終于得到解決。 在項(xiàng)目運(yùn)行一個(gè)月后，操作人員反饋， 監(jiān)控畫面上的顯示數(shù)據(jù)真實(shí)穩(wěn)定，儀表和控制系統(tǒng)受到的干擾明顯降低，儀表信號(hào)的抗干擾能力得到了提升，消除了干擾帶給控制系統(tǒng)的安全隱患。