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化肥厂DCS系统防干扰方法的应用

时间:2015-07-07 来源:未知 作者:小韩 本文字数:2814字

  现代大型化工厂工艺复杂程度越来越高,对控制的精度和要求也越来越高。尽管 DCS 模块在设计及制造中采用标准化集成电路为基本单元的电子装置,在设计和制造时已经采取了一系列的隔离和抗干扰措施,但仍然无法完全避免各类干扰源。如果无法处理或隔离这类干扰源,轻则会发生控制系统失灵,控制精度达不到要求。

  重则会发生烧毁通道甚至损坏机柜内模块的情况。所以,国标《电子信息系统机房设计规范 GB50174-2008》对 DCS 机柜间设计、安装、防静电、防雷接地、防电磁干扰都做出了具体要求。文章以青海盐湖股份公司化工分公司化肥厂二车间为例,介绍了从项目建设时期到试车期间 DCS 系统所采用的抗干扰措施和方法。

  1 机柜间及主控室静电危害与消除
  
  (1)静电危害:静电主要是由两种不同起电序列的物体通过摩擦、碰撞、剥离等方式在接触又分离之后在一种物体积聚正电荷,另一种物体上积聚等量负电荷而形成的。静电感应、压电效应、电磁辐射感应也可以产生很高的静电电压。在机房中,人是最主要的移动静电源。据测算,人行走时,胶底鞋与地板摩擦所产生的静电电压高达 5000V,化纤衣物与工作台摩擦产生的静电高达 800V.一般条件下,机房内相对湿度保持在 50%±5%.低于此值时,就可能产生静电故障。西北地区相对干燥,湿度在 30%以下,故障率会显着增加。静电对计算机硬件和系统软件都可能较大危害。静电对机房计算机系统造成的危害主要表现在以下方面:磁盘读写失败,通讯中断,而且可能导致某些电气元件,电路板、双极性电路的击穿或烧毁。此外静电对计算机的外部设备也有明显的影响,静电引起的问题不仅硬件人员很难查出,有时工作人员还会误认为是软件故障,从而造成工作混乱。静电累计到一定程度对人或计算机或其他设备进行放电时,也会给人以触电的感觉。

  (2)防静电措施:消除机柜间静电的经典措施主要是控制柜间的湿度,有效的接地以及安装防静电地板。衡量防静电地板的主要指标有系统电阻、静电电压及表面电阻。系统电阻是从地板表面至大地的绝缘电阻,为了防止静电荷的沉淀,电阻阻值应为 106~109Ω。机柜间静电电压一般认为温度在 21±5℃,相对湿度为 30%时,地板的静电电压值应低于 2500V.这里我们使用全钢防静电地板以及 M 型等电位连接接地的方式。 防静电地板也叫耗散静电地板,当它接地或连接到任何较低电位点时,电荷可以快速耗散,地板表面绝缘电阻值为 105~109Ω。这种地板采用防静电瓷砖作为面层,复合全钢地板或水泥刨花层、地板四周导电胶条封边而成。具有防静电性能稳定、环保、防火、高耐磨、高寿命、高承载、防水、防潮等优点,适用于各类机房。防静电地板四角用金属支架支撑,在金属支架下敷设 25mm2的铜带,按照地板宽度敷设边长为 0.6M 的矩形网格,网格四周设置有等电位连接带,并通过等电位连接导体将等电位连接带与汇流排连接在一起,汇流排则与建筑物接地网相连,接地网的电阻小于 1Ω。

  2 电源及信号传输过程中的干扰源
  
  仪表的发展在经历了基地式仪表、单元组合式仪表、以微处理器为单元的智能型仪表几个阶段。目前,工厂内所使用的绝大部分检测和控制仪表多使用二线制智能变送器、定位器。它们所使用的电源为系统提供的 24VDC 电源。在实际使用中,电网提供 220VAC或 380VAC 电源。交流电源经过开关电源的变压、整流、滤波、稳压后对现场仪表提供稳定的 24VDC 电源。其中,整流的作用是利用具有单向导电性能的整流元件,将正负交替的正弦交流电压整流成单方向的脉动电压;然后经过滤波,滤波器由电容、电感等储能元件组成,它的作用是尽可能将单向脉冲电压中脉动成分过滤掉,使输出电压成为比较平稳的直流电压;最后进入稳压电路维持输出电压的稳定。

  在电源和信号传输过程中我们采用本安型总屏+分屏式仪表电缆。这种电缆的特点是具有低电容和低电感,并具有极好的屏蔽性能和抗干扰性能。主要用于有防爆要求场合的集散式控制系统和自动化检测系统等电路中做传输线缆。本安电缆对静电干扰的屏蔽采用钢带铜丝编织来克服,钢带铜丝覆盖面积约为 90%,干扰减少比可达到 376:1.本安电缆的电磁干扰不能像静电干扰般简单的消除,这里一般的方法是采用双绞线来减少电磁干扰。通常采用 1~2 寸的绞距,绞距太小,使用不方便。其电磁感应减少比可达 141:1.这里使用的屏蔽双绞线效果更佳。

  3 电气信号的隔离与屏蔽
  
  DCS 系统用电采用 220VAC 市电和 UPS 两路电源同时供电。交流电源的特点是供电干扰大,传输距离长。DCS 系统使用的交流电源,从变电所输出至 UPS 室,经整流滤波变为 220V 直流电,一路直流电给蓄电池供电,经过逆变后做 UPS 备用电源。另一路电源经过逆变后变为 220V 交流电直接供给系统做主电源。在经过整流和滤波后,就将交流电源的干扰降至很低。

  在电源输送过程中为了克服电源对信号电缆的干扰,这里采用的电缆通过电气桥架进入主控室,而在主控室内则采用镀锌穿线管沿金属汇线槽敷设。金属管屏蔽的干扰减少比可达 8850:1.而各系统柜之间的供电电源敷设的要求为:当 220VAC,电流≥10A 电源线与仪表信号线缆交叉时,间距不小于 150mm;平行敷设时,间距不小于 600mm.

  对于从电气控制柜来的信号,这里我们采用继电器隔离的方法。出于安全方面考虑,设计为干接点信号。若采用有源信号,有非常大可能性导致高电压、高电流的串入。轻则导致卡件及通道烧坏,重则导致系统损坏。DCS 机柜给继电器提供 24V 电源,电气过来的DI 信号接在继电器的常开或常闭触点上。DCS 送至电气的 DO 信号,将控制信号接在继电器线圈上,当继电器线圈通电后经过较小的电流,而继电器铁芯会产生很强的吸合力,带动触点接通。使得触点能通过较大电流控制现场电机的运行。从而达到以小电流控制大电流的目的。即使电路出现过压、过流等现象,也只是继电器烧坏。

  4 系统接地保护
  
  所有 DCS 机柜、操作台都有保护接地和屏蔽接地。保护接地是为了防止电气设备的金属外壳、配电装置的构架和线路等带电危及人身和设备安全而进行的接地。具体做法是将机柜上可能带电的电气金属部分用导线与接地体可靠连接起来的一种保护接线方式。屏蔽是指用金属(屏蔽体)把电场和磁场等外界干扰源阻止在受干扰物之外。我们将所有本安屏蔽电缆的屏蔽层都接在机柜的接地铜排上,通过接地铜排接至机房汇流排上接入接地网。整个接地网的阻止不大于 4Ω。这里我们是在主控室一侧做系统单点接地,施工中需要注意屏蔽层的连续性。若采用两点接地,需注意两端接地体必须在同一平面上,即电位一致。若接地两端电位不一致,则会在屏蔽层中产生一个附加电流,这个附加电流将在屏蔽电缆中产生干扰电压。一般来说,仪表及控制系统信号大多属于低频信号,低频信号的原则就是单点接地,以避免形成回路。

  5 结束语
  
  上述防干扰方法的应用,使系统处于可靠稳定的状态,减少了故障发生的几率,为持续不间断生产提高了保障。

  参考文献
  
  [1]GB50174-2008.电子信息系统机房设计规范[S].
  [2]朱祥云。浅谈 DCS 系统安全[J].电子世界,2012,14.
  [3]程来斌。正确设计和选择本安系统电缆[J].自动化博览,2001,2.

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