火电厂分散控制系统的抗干扰技术分析

摘要以发电厂分散控制系统为例,分析火电厂中的干扰问题,介绍火电厂分散控制系统中的抗干扰技术,包括隔离、屏蔽、接地及电源干扰的抑制等,同时介绍软件抗干扰技术。

关键词分散控制系统;抗干扰技术

中图分类号TM0文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)041-0012-01

近年来,分散控制系统(以下简称DCS)在我国火电厂获得广泛应用。DCS的可靠性直接影响火电厂的安全生产和经济运行,而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。火电厂环境复杂,各种干扰非常严重,如不能处理好干扰问题,即使技术先进的DCS也不能保证安全可靠运行。由于分散控制系统的元器件和电子线路具有工作电平低、信息传递速度快、密度高等特点,因此必须采取有效的措施提高其抗干扰能力。本文主要是通过对发电厂DCS运行中出现的问题及解决办法进行总结,对抗干扰技术进行初步探讨。

1干扰源及其对系统的干扰机制

干扰又叫噪声,是窜入或叠加在系统电源、信号线上的与信号无关的电信号。干扰会造成测量的误差、严重的干扰会造成设备损坏。常见的干扰有以下几种:

1.1电阻耦合引入的干扰

1)当几种信号线在一起传输时,由于绝缘材料老化,漏电而影响到其它信号,即在其它信号中引入干扰。

2)由于接地不合理,例如在信号线的两端接地,会因为地电位差而加入一较大的干扰,信号线的两端同时接地,这样,如果两点的距离较远,则可能会有较大的电位差eN,这个电位差可能会在信号线上产生一个很大的环流。我厂#5机组在设备改造后发现过热器新换的几只元件显示有时跳变,但将测点的接线端子拆下后测量毫伏值显示正常,在重新接线后,该点仍有跳变。在对发生的现象分析后认为:两点接地对热电偶的测量产生了影响。将屏蔽电缆机柜侧接地拆后显示正常。

1.2电容电感耦合引入的干扰

在被控现场有很多信号并行敷设,同时接入DCS。信号线之间有分布电容存在,通过电容将干扰加到别的信号上;同时信号线与动力线并行,在动力线的周围会产生交变的磁场,也会造成线路上的干扰。

1.3计算机供电线路上引入的干扰

大型电气设备启动时,电动机的启动、开关的闭合会在其周围产生很大的交变磁场.这些交变磁场既可以通过在信号线上耦合产生干扰,也可能通过电源线上产生高频干扰,这些干扰如果超过容许范围,也会影响DCS系统的正常运行。

1.4雷击引入的干扰

雷击可能在系统周围产生很大的电磁干扰,也可能通过各种接地线引入干扰。

2干扰抑制技术

2.1硬件电路抗干扰技术

抑制干扰必须从消除干扰源和切断耦合通道两方面着手,常用的抑制措施有隔离、屏蔽、平衡、接地等。针对不同情况,采用一种方法或其中几种方法结合在一起,可以获得满意的效果。

2.1.1隔离

电磁干扰是影响系统可靠性的最主要的外部因素。因为干扰与距离的平方成正比,所以在条件允许的情况下,可加大微机与干扰源的距离来进行物理隔离,如采用光电隔离和变压器隔离。使所有的信号线很好地绝缘,使其不可能漏电,这样,防止由于接触引入的干扰;将不同种类的信号线隔离铺设(在不同一电缆槽中,或用隔板隔开),我们可以根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。模拟量信号(特别是低电平的AI信号如热电偶、热电阻信号等)对高频的脉冲信号的抗干扰能力是很差的,在实际应用中用使用屏蔽双绞线连接,并尽量将信号线单独占用电线管或电缆槽,不与其它信号在同一电缆管(或槽)中走线。低电平的开关信号(一些状态干接点信号),数据通信线路(RS232、EIA485等),对低频的脉冲信号的抗干扰能力比上种信号要强,对开关量信号采用屏蔽线对通信线采用双绞线连接,并单独走线,不与动力线和大负载信号线一起走线。高电平的DI、DO以及其它继电器输入输出信号,这类信号的抗干扰能力又强于以上两种,但这些信号可能会干扰别的信号,因此使用屏蔽线连接,也单独走电缆管或电缆槽。同一类信号放在一条电缆管或槽中。还有一种隔离是将信号源同计算机在电气上进行隔离,这样,会大大地减小共模干扰对计算机造成的危害。如:用隔离放大器将信号的输入端子与计算机部分完全隔离(有的系统中采用隔离变压器,或继电器等方式隔离,对开关量则可以采用继电器进行隔离)。这样,地电位不同所产生的干扰信号形不成回路,抑制了干扰的危害。第四种隔离是供电系统的隔离为了防止供电线路上引入共模高频干扰信号,可以在供电线路上设隔离变压器进行干扰隔离。

2.1.2屏蔽

抑制干扰源最有效的方法就是将易受干扰的通道远离强干扰源,并对干扰源进行屏蔽。对于系统中I/O设备与现场的连线,常用双绞线或同轴电缆对其进行保护。在使用屏蔽层和屏蔽电缆时,屏蔽层采用“一点接地”原则。随着#5~#7机组改造,DCS电缆全部采用屏蔽电缆,屏蔽层正确接地已成为抗干扰的重要环节。

2.1.3平衡

利用电路上的平衡关系,让两根传输同一信号的导线具有相同的干扰电压,使干扰电压在这两根导线上的负载上自行抵消。在#5~#7机DEH系统中,AO信号至伺服阀使用双绞线,较好的抑制了干扰。

2.1.4接地

接地是DCS抗干扰的重要措施,按其目的可分为安全接地与抗干扰接地。安全接地是将DCS中平时不带电的金属部分(机柜外壳,操作台外壳等)与地之间形成良好的导电连接,以保护设备和人身安全。此外,安全接地还可以防止静电的积聚;抗干扰接地是为了使DCS以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。屏蔽地是所有的接地中要求最高的一种。DCS设计和制造中,在机柜内部都安置了汇流排。在接线时将屏蔽线分别接到汇流排上,在机柜底部,用绝缘的铜辫连到一点,然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。

1)DCS系统采用统一的接地网,DCS的接地网与现场电气接地网共用,否则突变电磁场的冲击(如雷电、浪涌等)将给系统带来更大的干扰。尽管目前对共用接地网还没取得共识,但我厂DCS系统的应用实践表明:微机监控系统、防雷系统与电气系统共地方式比其采用独立接地方式更安全可靠、造价低廉。

2)信号线使用屏蔽电缆,且合理敷设,合理接地,信号屏蔽层的接地必须保证单点接地,从现场仪表到DCS的I/O卡之间的连线须用屏蔽电缆。信号电缆按传输信号的种类分层敷设,采用电缆桥架来敷设电缆,以免受外界电磁干扰、雷感应干扰及外界损伤。信号源接地时,屏蔽层应在信号侧接地;信号源不接地时,屏蔽层应在测控端接地。避免多点接地。我厂DCS系统,曾出现有些热电偶温度测点在机组正常运行中,经常变坏点,在DPU柜把变坏点的测点的接线端子拆下,测量毫伏值显示正常,在工作人员检查完重新接线后,该点显示正常。这种现象发生多次后,我们在对发生的现象分析后认为:元件产生坏点的原因是由于该点的测量线路上产生了静电及寄生电势,从而对热电偶的测量产生了影响,在人员处理缺陷过程中,通过人与接线端子的接触,释放了回路上的静电,因此,重新接入后,该点显示正常。对这种由于静电造成的干扰,我们采取的方法为采用屏蔽电缆并确保屏蔽层接地可靠且单点接地,实施后效果较好。

3)系统应有良好的安全接地,安全接地是指系统机柜及内部机件的接地。如果内部机件与机柜的接触不好,则应以铜带将其与机柜相连。控制柜上接地装置太多时,应设置接地汇流排,接地电缆宜采用焊接的方式安装。

4)信号地的处理:原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地,而都应将其负端在计算机端子处一点接地。但在有些场合,现场端必须接地,这时,必须注意原信号的输入端子(上双端)绝对不许和计算机的接地线有任何电气连接,而计算机在处理这类信号时,必须在前端采用有效的隔离措施。

2.1.5 用浮地输入双层屏蔽方式抑制共模干扰

对存在共模干扰的地端,测控装置采用双端不对地输入方式;对不能采用双端不对地输入的测控装置,采用浮地输入双层屏蔽方式来抑制共模干扰。它是利用屏蔽方法使输入信号模拟地浮空,从而达到抑制干扰的目的。

2.2软件抗干扰技术

火电厂分散控制系统工作现场电磁干扰复杂,虽然在硬件方面已采取了一系列抗干扰的技术措施,但仍会有干扰进入系统中,所以仅仅依靠硬件要想从根本上消除干扰是不可能的,因此在进行软件设计和组态时,还必须在软件方面进行抗干扰处理,进一步提高系统的安全可靠性。软件抗干扰的措施很多,并在不断发展和完善。在#5~#7机组中常用的方法为数字滤波。数字滤波通过计算程序对采样信号进行平滑加工,消除在微机模拟量通道中引入的尖峰干扰,保护有用信号,减弱或消除干扰信号。在我厂DCS软件中采用以下几种方法:

1)程序判断滤波,适合于被测信号变化频率低的场所,如温度、液位的测量。

2)算术平均滤波和加权滤波,用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工。

3)中值滤波,对于严重的干扰信号有较强的抑制作用。

4)一阶滞后滤波,适用于温度、液位等变化缓慢参量的滤波,相当于RC滤波器。

5)复合滤波,即在前述方法中选用两种或两种以上的方法合并使用。

3结束语

火电厂分散控制系统的抗干扰是一个重要问题,在实际工作中容易被忽略。但干扰对热工控制设备的危害极大。在系统的设备选型、工程设计和安装调试过程中都要考虑现场的干扰情况,并对系统进行抗干扰隔离,采用软硬件结合的方法去解决系统的干扰问题,才能有效地提高整个系统的安全可靠性。由于干扰的发生条件是多种多样的,且干扰的发生不易发现,我们只有在平时的工作中严格按照控制系统的要求去作,才能保证控制系统正常运行。

参考文献

[1]接地技术与接地装置.中国电力出版社,2003.

[2]热工自动化控制系统.中国电力出版社,2001.