关于DCS控制系统的干扰与防范研究

关于DCS控制系统的干扰与防范研究

吴秋霞

中铝智能数维（杭州）工程设计研究院有限公司  浙江省杭州市 310000

摘要：在目前的工厂中，DCS控制系统已经逐渐普及，逐渐取代化工生产中的常规仪表，逐渐成为一种主流的控制方式。然而，在实际应用过程中，DCS控制系统往往容易受到各级干扰，导致运行异常。针对以上问题，本文首先分析了DCS控制系统中存在的干扰因素，然后针对这些因素提出了一系列解决方案，希望能不断改进和优化DCS控制系统，提高其抗干扰能力。同时，希望本文能为读者提供一些参考。

关键词:DCS控制系统；信号干扰；信号隔离；接地

1DCS系统。

在某厂，机组不停机跳闸首先出现的是“积水压力低”。在对机组运行状态和运行参数的检查过程中，发现机组的重要参数在不停机事故的前2s内出现了非常明显的波动，因此可以得出参数受到强烈干扰的结论。

由于上述信号波动分布在不同的机柜和板卡中，其大范围的信号波动来源也非常广泛，在不同的机柜模块中都发生了波动，因此维修人员最终决定对DCS进行全面检查。这项检查工作包括测试模块通道的完整性、DCS系统机柜的接地设施、接地引线、电网的电阻值、DCS系统中24V DC电源有无异常等。，最终检查结果显示无明显异常。供水流量和积水压力是信号波动最重要的集中分布区域。检查人员对所有测点的发射机进行了现场检查，未发现信号电缆的绝缘和接地有明显异常。测试人员在现场使用标准信号发生器向DCS系统传输信号，但接收到信号后仍有明显波动，因此可以推断干扰来自信号传输过程，而不是来自机柜和模块。然后，检查人员在现场检查时发现，在DCS系统产生剧烈信号波动的期间，锅炉侧有维修人员在进行电焊作业，而电焊所使用的工作电源来自正在维修的380V电源，我们可以初步判断——电焊机在工作过程中产生了电源干扰，其电源干扰以电磁波的形式进入了DCS信号的测量回路，对DCS系统造成了严重的信号干扰。

为了对初步判断结果的正确性作出判断，在保证机组安全运行的基础上，在所有安全准备工作都做好后，电焊机将正常运行，并用示波器记录其电源的信号波动。电焊机开始正常工作时，DCS测量信号的信号波动会非常明显，其示波器会显示出高频谐波成分。电焊机检修电源切断后，DCS的信号波动恢复到正常水平，可以证明是电焊机的运行对检修段母线电源造成了强谐波信号干扰，导致了这次机组的不停机故障。

2.风机跳闸是由风机轴承温度信号扰动引起的。

某电厂调试期间，两侧引风机正常运行，期间引风机B突然跳闸，无任何征兆。回顾历史，第一次跳闸是引风机轴承温度过高，导致引风机跳闸故障。在历史曲线上，我们发现三个轴承的温度同时急剧上升，从而达到设定的保定值，导致跳闸。由于其保护逻辑的设置是模拟判断后选择三者中的第二个，且不是单点保护的对象，所以其逻辑设计中没有针对速率变化的保护措施。因此，这三个温度点同时达到跳闸值，最终导致引风机B停运。

从历史曲线可以得出，三个轴承温度波动较大的时间是相同的。但根据设备正常运行情况分析，引风机轴承温度波动较大的情况很少见，可能性很小。一般可以推断三个温度点同时被扰动。经过对温度点信号电缆的进一步调查和检查，我们可以发现，三个温度测量点的信号都是从现场传输到DCS机柜的电缆，并且是同一根16芯电缆。该信号电缆在DCS侧屏蔽线上处于浮动状态，屏蔽线的接地处理已在现场端子板处进行，很好地消除了两端接地造成共模干扰的可能性。

为进一步探究事故原因，找出干扰源并消除，在所有相关防护措施处理妥当的情况下，维修人员通过对讲机对DCS模块处的现场接线端子放电，模拟干扰源，但未发现温度点剧烈波动。在对这三个温度点进行拆线检查后，我们发现现场接线盒中屏蔽线的毛刺刺穿了金属电缆的套管，产生了干扰。维修人员随后对电缆屏蔽层进行了修复，将屏蔽线的接地移到了DCS侧，现场消除了屏蔽层的接地问题。处理后，吹风机的高温风跳防护措施恢复如初。正常运行多天后，未发现温度点异常波动。

3、DCS控制系统工程应用的主要抗干扰措施

为了保证系统能够免受来自工业电磁环境的内外电磁干扰，减少其可能产生的影响，必须贯彻抑制电磁干扰的三个基本原则。DCS系统的抗干扰工作也是一项系统工程，对制造单位的要求很高，要求能够生产出抗干扰能力强的产品，在各个阶段进行全方位的思考，结合具体实际进行综合考虑，并在此基础上完成设计任务，以保证系统具有良好的电磁兼容性和可靠性。

(1)供电系统的抗干扰

①选择性能更高的合适电源，抑制对电网的干扰引入。它是供电DCS控制系统中非常重要的一部分，在其中占有很高的地位。DCS及其变送器的电源是电网干扰信号的主要引入渠道，因此DCS控制系统所选用的电源必须具有优良的性能，尤其是隔离性能，必须达到预期的效果。

②选择不间断供电设备和电源。目前可采用在线不间断电源(UPS)为DCS系统供电，可有效提高供电可靠性，保证其安全性。同时，UPS隔离性强，能有效隔离干扰信号。

③为DCS系统提供多个电源，这样只要一个电源出现问题受到干扰，另一个电源就可以正常工作，保证其安全性，可以大大提高DCS系统的可靠性。

(2)信号线的铺设和选择

①我们知道电缆的选择也要按照相关标准进行。不同的信号通过不同的电缆路径传输。通过实践我们知道，抗干扰能力最强的电缆是屏蔽电缆传输，可以从根本上降低电磁干扰[3]。接入DCS系统的信号电缆尽量采用屏蔽电缆，屏蔽层只有一点接地，且接地良好。

②我们知道大电流电缆和小电流电缆要分开敷设。电缆的合理布局可以有效减少外界环境对信号的干扰以及各种电缆之间的相互干扰。具体的铺设过程要根据具体的电压和电流来操作。

(3)3)DCS的接地

完善的接地系统是帮助DCS控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。一般来说，接地有两个目的，一是提高系统本身的抗干扰能力，更好地抵御干扰因素的入侵；二是提高其安全性，为其安全提供充分保障。

系统有三种接地方式:浮动接地方式、直接或非常好的接地方式和良好的电容接地。DCS控制系统是一种高速低压控制设备，工作时应DC或接地。由于信号电缆分布和设备滤波频率的影响，设备间的信号交换频率通常小于1MHz。因此，DCS控制系统的接地线大多采用少量接地和串联。中央DCS系统主要适用于柜内并联的小型接地模式，柜与各设备中心的互联部分可通过单独的接地极或一个接地极引入。如果设备之间的距离很大，选择连续接地方式是最合适的。用大铜母线(或绝缘电缆)连接套管中心位置，再通过接地母线连接到接地极上直接连接。接地极的接地阳极小于22。接地极最好埋在离建筑物10-15m的地方，DCS系统的日常连接点必须与强电设备的连接点保持10m以上的距离。

(4)硬件和软件的抗干扰措施

①硬件抗干扰

A.加隔离硬件:模拟量的输入输出有很多需要注意的地方，特别是在强电流逃逸的情况下。同时也要注意电位差的问题，防止接地设备和DCS系统产生电位差。对于一些非常重要的回路部分，我们应该安装信号隔离器。对于数字输入输出(DI/DO)环路，最广泛使用的手段是对DI/DO信号应用继电器隔离措施[4]。

B.加装浪涌保护器:防止雷击和强电压强电流进入DCS控制系统，可能直接导致控制系统故障，会造成很大危害。电涌保护器可以在很短的时间内进行分流，从而避免电涌对电路中其他器件的损害。

C.防静电干扰:我们知道系统在运行过程中容易受到很多因素的影响，其中静电干扰也是一个重要因素。进入控制室或控制室时，工作人员应注意携带静电，穿戴专业防护服，同时在进行相关工作时，应检修带有静电释放的腕带。拆下来的卡片要放在合理的位置，不能随意堆放造成失效[5]。

②软件抗干扰

电磁干扰非常复杂。正因如此，完全根除硬件带来的干扰是不现实的。这里需要注意的是，在DCS系统的软件设计和具体组态过程中，要采取一定的措施和方法，特别要注意抗干扰设计，从根本上提高系统的可靠性和稳定性。

5.结论

从上面可以看出，DCS控制系统中最复杂、最难解决的问题就是干扰问题，由干扰问题引起的故障数不胜数。因此，在进行抗干扰工作时，必须整合各个层面，做到面面俱到，充分考虑，才能真正实现充分全面的调查。应对干扰因素采取科学合理的措施，结合具体实际案例，采取有针对性的解决方案，促进DCS系统良性健康发展，更好地服务于我国工业生产。希望以上内容能为相关领域提供一些理论依据，对相关单位和企业有所帮助。同时希望DCS控制系统在未来有更大的发展空间，从根本上避免DCS的各种干扰，努力做到防患于未然。

【参考文献】

[1]GB/T13926.1-1992,工业过程测量和控制装置的电磁兼容性总论[S].

[2]徐义亨.接地和防雷技术面临的挑战[J].中控通讯,2006(03):11-12.

[3]扬芳育.仪表测控系统的抗干扰技术[J].控制工程,2006(03):9-10.

[4]顾德东,管洪强.DCS抗干扰技术与安全可靠性分析[J].重庆电力高等专科学校学报,2013(02):20-22.