DCS系統(tǒng)接地與抗干擾問(wèn)題淺析資料講解

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。DCS系統(tǒng)接地與抗干擾問(wèn)題淺析-DCS系統(tǒng)接地與抗干擾問(wèn)題淺析發(fā)帖人:anderson點(diǎn)擊率:2246摘要：接地系統(tǒng)在DCS安裝和應(yīng)用過(guò)程中是很重要的一環(huán)，很多令人費(fèi)解的故障現(xiàn)象往往都是系統(tǒng)接地不好引起的，不同DCS廠家對(duì)接地系統(tǒng)的要求和接法又都不一樣。本文主要介紹了OVATION和INFI-90接地系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，并對(duì)北侖電廠因接地或信號(hào)干擾引發(fā)的問(wèn)題及處理過(guò)程進(jìn)行了分析，對(duì)其它電廠在DCS系統(tǒng)接地或抗干擾方面的故障處理具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：DCS控制系統(tǒng)；接地；分析1前言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，D

2、CS在工控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。DCS控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。而DCS接地系統(tǒng)的可靠性，又在很大程度上決定了該系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱。一般認(rèn)為，DCS接地系統(tǒng)應(yīng)該具備二種功能：1、當(dāng)進(jìn)入DCS系統(tǒng)的信號(hào)、供電電源或DCS系統(tǒng)設(shè)備本身出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能有效地承受過(guò)載電流并可以迅速將過(guò)載電流導(dǎo)入大地。2、接地系統(tǒng)應(yīng)能夠?yàn)镈CS提供屏蔽層，消除電子噪聲干擾，并為整個(gè)控制系統(tǒng)提供公共信號(hào)參考點(diǎn)，即參考零電位。為了滿足上述功能，DCS系統(tǒng)一般具有2個(gè)接地，即保護(hù)接地和工作接地：1）保護(hù)接地保護(hù)接地是將DCS中平時(shí)不帶電的金屬部分（

3、機(jī)柜外殼，操作臺(tái)外殼等）與地之間形成良好的導(dǎo)電連接，以保護(hù)設(shè)備和人身安全。2）工作接地工作接地是為了使DCS以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測(cè)量和控制精度而設(shè)的接地。不同資料對(duì)工作接地的分類和表述不同，一般分為邏輯地、信號(hào)地、系統(tǒng)地和屏蔽地。a、邏輯地：也叫主機(jī)電源地，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地，也是+5V等電源的輸出地。b、信號(hào)地：也叫信號(hào)回路地，是現(xiàn)場(chǎng)返回信號(hào)的負(fù)端。當(dāng)DCS給現(xiàn)場(chǎng)提供24VDC時(shí)，且AI、AO為非隔離式，信號(hào)地就是系統(tǒng)地。當(dāng)由其他設(shè)備提供電源時(shí)，根據(jù)信號(hào)源原理決定是否接入公共接地極。c、系統(tǒng)地：也叫系統(tǒng)基準(zhǔn)地，通常也是系統(tǒng)電源地，是為DCS信號(hào)提供的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

4、在DCS中系統(tǒng)地就是給模件供電的24VDC或5VDC的電源地。對(duì)于通道隔離的I/O模塊應(yīng)用場(chǎng)合，它與信號(hào)地是有區(qū)別的，因?yàn)閮烧邲](méi)有電氣聯(lián)系。系統(tǒng)地接地比較復(fù)雜，一般要考慮如下幾種情況：1）信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)側(cè)已經(jīng)接地的情況；2）系統(tǒng)I/O的輸入、輸出在現(xiàn)場(chǎng)接入同一裝置（而裝置的電路原理不明確）的情況。d、屏蔽地：也叫模擬地，是為了避免電磁場(chǎng)對(duì)儀表和信號(hào)的干擾而采取的屏蔽網(wǎng)接地。屏蔽地的接法電氣和儀控專業(yè)是有爭(zhēng)議的，電氣一般要求電纜屏蔽線二端接地，而儀控要求電纜屏蔽層必須一端接地，以防止形成閉合回路干擾。鎧裝電纜的金屬鎧不應(yīng)作為屏蔽保護(hù)接地，必須是銅絲網(wǎng)或鍍鋁屏蔽層接地。接入公共接地極。除了上述幾種接地

5、外，在很多場(chǎng)合下容易引起混亂的還有一個(gè)供電系統(tǒng)地，也叫交流電源工作地，它是電力系統(tǒng)中為了運(yùn)行需要設(shè)的接地(如中性點(diǎn)接地)。2OVATION接地系統(tǒng)分析1）OVATION系統(tǒng)接地特點(diǎn)北侖發(fā)電廠一期2臺(tái)600MW機(jī)組原控制系統(tǒng)為ABBTAYLOR公司的MOD300集散型控制系統(tǒng)，在2004年和2005年檢修期間，成功完成了2臺(tái)機(jī)組的DCS改造工作，把原來(lái)的MOD300系統(tǒng)徹底改造為美國(guó)西屋公司的OVATION系統(tǒng)，OVATION系統(tǒng)典型接地圖如下：OVATION系統(tǒng)接地主要特點(diǎn)如下：a)系統(tǒng)必須單點(diǎn)接地。b)機(jī)柜（包括遠(yuǎn)程I/O柜）在安裝時(shí)都要求裝絕緣墊，機(jī)柜和地之間的電阻在5兆歐以上。c)一般以

6、控制器為單位，每個(gè)控制器的機(jī)柜要求所有保護(hù)地（CG）串聯(lián)，工作地（PG）以電源卡為單位串聯(lián)，最終在中心機(jī)柜的電源分配模件中與保護(hù)地連接，最終接入接地系統(tǒng)匯流排,由匯流排再接入DCS專用的接地地樁。d)OVATION系統(tǒng)要求配置獨(dú)立的DCS接地地樁，不能與其它系統(tǒng)共用。e)機(jī)柜到接地地樁的電阻不能大于1歐姆，并盡量使接地電纜最短。f)遠(yuǎn)程柜一般也要求接入DCS的接地匯流排，但如果距離比較遠(yuǎn)，且附近沒(méi)有大的電機(jī)設(shè)備，可以就近接地。g)操作員站機(jī)柜不要求裝絕緣墊，保護(hù)地也不能接入DCS接地系統(tǒng)的匯流排，應(yīng)該就近接地。2）我廠因接地或干擾原因曾引起的設(shè)備異常我廠OVATION系統(tǒng)投入使用已將近3年，系

7、統(tǒng)運(yùn)行一直比較穩(wěn)定。在設(shè)備安裝和運(yùn)行初期，曾發(fā)生過(guò)由于接地和干擾原因引起的異常，所幸的是沒(méi)有導(dǎo)致機(jī)組跳閘或主設(shè)備跳閘。具體情況介紹如下：a、熱電偶信號(hào)二端接地在1號(hào)機(jī)組DCS改造期間，OVATION系統(tǒng)上電后，我們就發(fā)現(xiàn)600個(gè)左右的熱電偶信號(hào)中有大約200個(gè)信號(hào)白天在大幅跳躍，而到了晚上這些信號(hào)的跳躍幅度就會(huì)小很多。曲線如下圖：我們對(duì)此百思不得其解，做了很多試驗(yàn)，都沒(méi)能解決這個(gè)問(wèn)題，后來(lái)我們檢查發(fā)現(xiàn)這些跳躍的熱電偶負(fù)端現(xiàn)場(chǎng)都是接地的。查閱熱電偶方面的手冊(cè)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)熱電偶可以分為2大類：搭殼式和非搭殼式，搭殼式熱電偶的負(fù)端與外面的保護(hù)管是導(dǎo)通的，而非搭殼式熱電偶的負(fù)端與外面的保護(hù)管是絕緣的。國(guó)

8、內(nèi)的熱電偶絕大多數(shù)是非搭殼式的，而國(guó)外的熱電偶搭殼式的比較多，北侖電廠的1、2號(hào)機(jī)組為進(jìn)口機(jī)組，因此搭殼式的熱電偶比較多。而根據(jù)OVATION熱電偶卡的結(jié)構(gòu)，其負(fù)端在DCS側(cè)是接地的，這樣導(dǎo)致熱電偶二端接地，由于現(xiàn)場(chǎng)的地與DCS的地之間存在著電勢(shì)差，而且這個(gè)電勢(shì)差是不穩(wěn)定的，特別白天現(xiàn)場(chǎng)施工人員比較多，電動(dòng)設(shè)備的啟停也比較頻繁，導(dǎo)致了熱電偶信號(hào)的大幅跳躍。查閱OVATION的相關(guān)資料，我們找到了最終的解決辦法。其實(shí)OVATION系統(tǒng)為了解決這個(gè)問(wèn)題，專門在熱電偶的特性模件內(nèi)部設(shè)置了2個(gè)跨片（見圖一和圖二）。只是設(shè)置比較麻煩，需要把特性模件從插槽上取下來(lái)，并打開外面的塑料殼才能進(jìn)行。根據(jù)西屋公司

9、的要求，如果熱電偶負(fù)端現(xiàn)場(chǎng)不接地，那么屏蔽線必須在OVATION側(cè)單端接地，二個(gè)跨片必須同時(shí)保留。如果熱電偶現(xiàn)場(chǎng)接地，那么屏蔽線也必須在現(xiàn)場(chǎng)接地，二個(gè)跨片必須同時(shí)去掉。但由于是改造機(jī)組，原來(lái)安裝的熱電偶屏蔽線都是DCS側(cè)接地，現(xiàn)場(chǎng)的接地線已經(jīng)被剪掉了，處理起來(lái)非常困難，后來(lái)我們采用了一種折中的方案：凡是參與控制的熱電偶信號(hào)，都嚴(yán)格按照西屋公司的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做，但對(duì)于DAS信號(hào)，如果熱電偶是搭殼式的，特性模件中只去掉一個(gè)跨片，即熱電偶現(xiàn)場(chǎng)接地，而屏蔽線OVATION側(cè)接地。經(jīng)過(guò)近3年的觀測(cè)，效果不錯(cuò)，精度也基本符合要求，沒(méi)有因?yàn)榻拥胤绞降牟煌霈F(xiàn)問(wèn)題。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)熱電偶正極或負(fù)極

10、接地的情況，在這種情況下，OVATION系統(tǒng)由于自身一側(cè)熱電偶接地，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)大幅跳躍的情況。如果這個(gè)信號(hào)參與控制，就容易引起設(shè)備的誤動(dòng)。作為補(bǔ)救，我們對(duì)重要的保護(hù)信號(hào)，如風(fēng)機(jī)的軸承溫度等，在軟件中做了相應(yīng)的邏輯，如果溫度信號(hào)在一定的時(shí)間內(nèi)變化幅度過(guò)大，保護(hù)就自動(dòng)撤出，并有一級(jí)報(bào)警及時(shí)提醒運(yùn)行人員。b、部分信號(hào)大幅晃動(dòng)2004年10月14日和10月20日，也就是1號(hào)機(jī)組DCS改造完成后3個(gè)月左右，曾發(fā)生2次部分信號(hào)大幅晃動(dòng)的現(xiàn)象?；蝿?dòng)的信號(hào)有10多個(gè)，包含爐膛壓力、主蒸汽壓力、再熱器壓力、汽包水位等重要調(diào)節(jié)信號(hào)，導(dǎo)致報(bào)警盤“高旁故障”、“主蒸汽壓力高”報(bào)警，機(jī)組控制方式跳至手動(dòng)，引風(fēng)機(jī)跳至手

11、動(dòng)，送風(fēng)機(jī)跳至手動(dòng)，主蒸汽溫度控制跳至手動(dòng)，運(yùn)行人員撤出給水控制至手動(dòng)，幾經(jīng)努力，才控制機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，沒(méi)有引起機(jī)組跳閘或重要輔機(jī)跳閘。每次信號(hào)晃動(dòng)的持續(xù)時(shí)間大約在15分鐘左右，2次晃動(dòng)的信號(hào)基本相同，第2次與第1次相比晃動(dòng)程度有所減弱，這些晃動(dòng)信號(hào)在晃動(dòng)前沒(méi)有任何前兆，而且基本上是同時(shí)開始晃動(dòng)，同時(shí)晃動(dòng)結(jié)束。下面是2次晃動(dòng)過(guò)程中部分信號(hào)的歷史曲線圖：2004年10月14日第一次信號(hào)晃動(dòng)歷史曲線：事情發(fā)生后，廠領(lǐng)導(dǎo)十分重視，專門召集西屋公司專家開會(huì)進(jìn)行分析討論。從晃動(dòng)現(xiàn)象來(lái)看，DCS網(wǎng)絡(luò)故障的可能性不大，原因有：a、部分自動(dòng)控制撤出，說(shuō)明在控制器一級(jí)這些信號(hào)已經(jīng)在大幅晃動(dòng)。b、晃動(dòng)的信號(hào)全部為模

12、擬量信號(hào)，沒(méi)有數(shù)字量信號(hào)。如果網(wǎng)絡(luò)受干擾，數(shù)字量信號(hào)突變的可能性更大。另外控制器故障的可能性也不大，因?yàn)檫@些晃動(dòng)的信號(hào)分布在不同的控制器，部分晃動(dòng)信號(hào)還分別來(lái)自爐側(cè)和機(jī)側(cè)的遠(yuǎn)程I/O柜。因此最大可能是現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)受到了干擾，但這些信號(hào)分布又非常分散，有機(jī)側(cè)的信號(hào)，也有爐側(cè)的信號(hào)，我們對(duì)這些信號(hào)的屏蔽線、電纜走向和橋架布置進(jìn)行了檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)共性的問(wèn)題，對(duì)DCS系統(tǒng)接地系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況。由于無(wú)法找到確切的干擾源，我們只能懷疑這些信號(hào)的大幅晃動(dòng)來(lái)自外界的輻射干擾，這些干擾覆蓋整臺(tái)機(jī)組甚至整個(gè)電廠。外界的輻射干擾主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感

13、應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，其分布極為復(fù)雜。若DCS系統(tǒng)置于其射頻場(chǎng)內(nèi)，就會(huì)收到輻射干擾，其影響主要通過(guò)兩條路徑：a、直接對(duì)DCS內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；b、對(duì)DCS通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小，特別是頻率有關(guān)，如果DCS信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、電纜走向的布置或相應(yīng)I/O卡件的固有頻率特性與干擾信號(hào)一致，就有可能會(huì)導(dǎo)致這些信號(hào)的大幅晃動(dòng)。以上僅僅是理論上的推測(cè)，為了證實(shí)這一點(diǎn)，我們做了如下工作：a、解除了2個(gè)不太重要信號(hào)DCS側(cè)的接線，使之與DCS系統(tǒng)徹底分離，并接入記錄儀，以確認(rèn)信號(hào)晃動(dòng)與DCS系統(tǒng)是否有關(guān)。b、對(duì)有晃動(dòng)信號(hào)的I/O卡與沒(méi)

14、有晃動(dòng)信號(hào)的I/O卡進(jìn)行互換，以確認(rèn)信號(hào)晃動(dòng)與I/O卡的特性是否有關(guān)?？上У氖沁@些監(jiān)測(cè)手段保持了半年之久，信號(hào)晃動(dòng)的現(xiàn)象一直沒(méi)有發(fā)生過(guò)，直到現(xiàn)在，類似的現(xiàn)象也沒(méi)有再次發(fā)生。因此信號(hào)晃動(dòng)的真正原因目前也只是一個(gè)謎。3INFI-90接地系統(tǒng)分析1）INFI-90接地系統(tǒng)特點(diǎn)我廠二期3臺(tái)600MW機(jī)組的控制系統(tǒng)采用的是BAILEY公司的INFI-90分布式控制系統(tǒng)，分別于2000年9月28日、7月8日、7月28日正式投入商業(yè)運(yùn)行。ABBBAILEY公司的接地系統(tǒng)在不斷的改進(jìn)之中，我們廠原來(lái)使用的是型接地系統(tǒng)，目前ABBBAILEY公司主推的接地系統(tǒng)為型接地系統(tǒng)。型接地系統(tǒng)交流地與直流地是分開的，直流

15、地要求有單獨(dú)的接地網(wǎng)。而型接地系統(tǒng)模件柜的交、直流地在內(nèi)部已連接在一起，不再需要專門的直流接地系統(tǒng)。型接地系統(tǒng)形式如下型接地系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：a、接地系統(tǒng)分為交流地和直流地，交流地包含機(jī)柜地和屏蔽地，直流地包含邏輯地、信號(hào)地和系統(tǒng)地。交、直流地在機(jī)柜內(nèi)部已連接在一起。b、除非原有的地網(wǎng)不能滿足ABBBAILEY公司的標(biāo)準(zhǔn)，一般不需要為DCS系統(tǒng)單獨(dú)做地極。就算原有地網(wǎng)不能滿足要求而作了新的地極，它們也必須與原地網(wǎng)相連，絕對(duì)不能使用隔離的接地系統(tǒng)。c、系統(tǒng)供電的電源應(yīng)該是獨(dú)立的，不要使用此電源對(duì)控制系統(tǒng)以外的設(shè)備進(jìn)行供電。要求供電品質(zhì)良好，最好能有不間斷電源及浪涌抑制裝置。供電電源離機(jī)柜越近越好

16、，從電源至模件柜電源輸入端子的電纜長(zhǎng)度應(yīng)小于50米。d、從電源至分配盤，及從分配盤至模件柜的供電電纜都必須使用3芯電纜，分別作為L(zhǎng)線、N線和G線。N線與G線應(yīng)在電源出口處短接（不能在電源分配柜內(nèi)），并將此短接點(diǎn)使用扁平接地銅纜連接到最近的可靠的建筑接地系統(tǒng)上，除此以外N線和G線在其它任何地方都不應(yīng)再短接。使用雙路電源時(shí)，兩個(gè)電源必須在同一點(diǎn)接地。e、機(jī)柜本體與金屬安裝底座之間應(yīng)有可靠的電氣連接，推薦使用焊接的方法安裝機(jī)柜，如果采用螺栓安裝，最好在螺栓處與柜體點(diǎn)焊一兩下。安裝底座要求與整個(gè)建筑的接地系統(tǒng)有可靠的連接，如不能保證或無(wú)法確定，用扁平接地銅纜將安裝底座連接到最近的可靠的建筑接地系統(tǒng)上，

17、銅纜長(zhǎng)度應(yīng)不大于1.8米，越短越好。f、進(jìn)入機(jī)柜的信號(hào)線的屏蔽層應(yīng)單端接地，原則上應(yīng)在供電方一側(cè)接地，實(shí)際應(yīng)用中一般是熱電偶信號(hào)在就地側(cè)接地，其他類型信號(hào)線的屏蔽層接到機(jī)柜內(nèi)的屏蔽棒上，不接地的一端應(yīng)作絕緣處理。屏蔽層應(yīng)該一進(jìn)入機(jī)柜即剝出并接到屏蔽棒上，外露的屏蔽線的長(zhǎng)度越短越好（小于25毫米），屏蔽線之間及與其他金屬導(dǎo)體間應(yīng)絕緣。剝出的信號(hào)線在機(jī)柜內(nèi)走線時(shí)應(yīng)保持雙絞的狀態(tài)。g、如果有計(jì)算機(jī)或外部設(shè)備與控制系統(tǒng)通過(guò)RS-232串口進(jìn)行通訊，必須進(jìn)行隔離。h、遠(yuǎn)程布置的機(jī)柜可以有自己的供電和接地系統(tǒng)，但方法和要求與本地柜一致。在多雷擊地區(qū)，推薦使用光纜進(jìn)行連接。2）我廠因接地或干擾原因曾引起的設(shè)

18、備異常二期INFI-90系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)，最困擾我們的就是溫度信號(hào)漂移問(wèn)題。由于INFI-90系統(tǒng)抗無(wú)線電干擾的能力比較差，BAILEY公司對(duì)所有的模擬量輸入通道加裝了隔離器，這也引發(fā)了新的問(wèn)題。部分熱電偶和熱電阻通道容易引起電荷積累，使送到INFI-90系統(tǒng)的溫度信號(hào)發(fā)生漂移，而且這種漂移很不規(guī)則。大部分信號(hào)不發(fā)生漂移，有些信號(hào)漂移很快，一天就可以漂移幾度甚至十幾度；有些信號(hào)漂移很慢，一個(gè)月才漂移幾度；有些信號(hào)向上漂移；有些信號(hào)向下漂移。3號(hào)機(jī)組曾因送風(fēng)機(jī)馬達(dá)軸承溫度信號(hào)漂移4次引起風(fēng)機(jī)跳閘，機(jī)組發(fā)生RB。發(fā)生時(shí)間為：2001.3.21,FD-3A因風(fēng)機(jī)馬達(dá)軸承溫度漂移跳閘；2001.4.19

19、,FD-3A因風(fēng)機(jī)馬達(dá)側(cè)軸承溫度跳躍跳閘；2001.7.10,FD-3B因電機(jī)自由端軸承溫度漂移跳閘；2002.1.11,FD-3A因馬達(dá)靠風(fēng)機(jī)側(cè)軸承溫度跳躍跳閘。為了查清溫度信號(hào)漂移的真正原因，我們還專門成立了QC小組，并做了大量的測(cè)試工作，如在端子排上加裝電阻和電容等。通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)合BAILEY公司專家的意見，確定溫度信號(hào)漂移的主要原因有3點(diǎn)：a)INFI-90系統(tǒng)的接地系統(tǒng)存在問(wèn)題。b)溫度信號(hào)的屏蔽線連接有錯(cuò)誤。c)接線工藝不好，熱電偶電纜使用了接線鼻子，有多處接線松動(dòng)。針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)跈C(jī)組檢修過(guò)程中對(duì)INFI-90的接地系統(tǒng)進(jìn)行了徹底改造，從型接地系統(tǒng)改造成型接地系統(tǒng)，并根據(jù)要求增裝了隔離變壓器。改造后供電系統(tǒng)如下：在0米層的DCS過(guò)渡柜和電子室的TU端子柜中，有大量備用電纜和備用屏蔽線未接入端子排，這些電纜二端全是浮空的，像無(wú)線電天線一樣存在于信號(hào)電纜的旁邊，對(duì)溫度測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生干擾。在機(jī)組檢修過(guò)程中，我們把這些浮空信號(hào)電纜全部短接起來(lái)，然后就近接入TU柜屏蔽接地棒上。除了以上2項(xiàng)主要工作外，我們還做了如下工作：1）現(xiàn)場(chǎng)使用的所有熱電偶信號(hào)全部為單股硬線