抑制信號(hào)干擾的方法研究和應(yīng)用

葉國(guó)滿(mǎn)，屠士鳳，林 晨，王世云，丁俊宏

（1.浙能樂(lè)清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂(lè)清 325609；2.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)線(xiàn)路密布，設(shè)備啟停頻繁，存在嚴(yán)重的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾源。處于這種環(huán)境中的熱控系統(tǒng)設(shè)備及電纜，經(jīng)常會(huì)受到控制回路自身、電磁耦合、靜電感應(yīng)或接地線(xiàn)電位波動(dòng)產(chǎn)生的干擾。這些干擾輕則會(huì)引起設(shè)備誤發(fā)報(bào)警信號(hào)，降低系統(tǒng)可靠性，重則導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行或損壞，甚至引起機(jī)組跳閘，因此提高控制系統(tǒng)抗干擾水平和人員對(duì)干擾故障的快速處理能力，對(duì)熱控專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)尤為重要。

1 干擾信號(hào)處理

1.1 干擾信號(hào)檢查與軟件處理

1.1.1 脫硫凈煙氣流速跳變現(xiàn)象檢查

樂(lè)清發(fā)電廠(chǎng)的2號(hào)機(jī)組C修和3號(hào)機(jī)組A修期間，分別對(duì)2號(hào)和3號(hào)機(jī)組的脫硫凈煙氣流量測(cè)量裝置進(jìn)行了改造。改造結(jié)束投入運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)凈煙氣流速均存在跳變現(xiàn)象。

凈煙氣流速計(jì)算方法為：就地3只差壓變送器及壓力和溫度測(cè)量信號(hào)送入PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)，經(jīng)壓力和溫度補(bǔ)償后計(jì)算其流速，計(jì)算公式為：

式中：V為被測(cè)氣體流速；K為風(fēng)量測(cè)量裝置流量系數(shù)，取0.75；ΔP為風(fēng)量測(cè)量裝置輸出差壓；t為被測(cè)氣體溫度；Px為被測(cè)氣體管內(nèi)壓力。

檢查PLC控制柜輸入/輸出信號(hào)屏蔽線(xiàn)，確認(rèn)單端接地情況良好。查看歷史曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)流速信號(hào)和溫度補(bǔ)償信號(hào)同時(shí)跳變，經(jīng)試驗(yàn)確認(rèn)是溫度補(bǔ)償信號(hào)跳變引起流速信號(hào)跳變。

1.1.2 脫硫凈煙氣流速信號(hào)干擾的軟件處理

對(duì)2號(hào)、3號(hào)機(jī)組的凈煙氣溫度信號(hào)記錄曲線(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)溫度通道檢測(cè)到的尖峰出現(xiàn)時(shí)間雖然很短，僅幾毫秒，但若尖峰出現(xiàn)在信號(hào)采集的時(shí)段內(nèi)，就會(huì)造成流速信號(hào)跳變。因此，采取在PLC控制柜的信號(hào)電纜上套裝磁環(huán)、溫度信號(hào)輸入端加電容等措施，但效果均不明顯。查看就地?zé)犭娮柙l(fā)現(xiàn)有螺絲松動(dòng)，但更換元件后也沒(méi)有效果。經(jīng)分析研究后，決定修改PLC控制軟件，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)濾波，在溫度信號(hào)尖峰出現(xiàn)的瞬間不采樣，保持之前的測(cè)量值輸出，以消除溫度尖峰信號(hào)的干擾。

處理后，溫度信號(hào)顯示跳變情況未再發(fā)生，凈煙氣流速信號(hào)跳變情況也隨之消除。

1.2 信號(hào)異常波動(dòng)現(xiàn)象的檢查和處理

某日，機(jī)組正常運(yùn)行中，3號(hào)機(jī)組脫硫系統(tǒng)2號(hào)增壓風(fēng)機(jī)液壓油箱油溫信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)，查找及處理過(guò)程如下：

（1）經(jīng)檢查，干擾信號(hào)來(lái)自2號(hào)增壓風(fēng)機(jī)液壓油箱，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)信號(hào)電纜屏蔽層未接地，在控制柜對(duì)該信號(hào)電纜屏蔽線(xiàn)作接地處理后，信號(hào)仍有波動(dòng)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)側(cè)用電阻箱加信號(hào)試驗(yàn)，屏蔽電纜屏蔽層接地和不接地2種方式下，信號(hào)仍有波動(dòng)。

（3）在2號(hào)增壓風(fēng)機(jī)液壓油箱油溫控制柜輸入端加0.033 μF電容，信號(hào)波動(dòng)現(xiàn)象消除。

2 消除信號(hào)干擾的軟/硬件方法

發(fā)電廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)的熱工測(cè)量與控制設(shè)備處于隨時(shí)可能出現(xiàn)強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境，其輸出或接收的模擬量及開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)密布的電纜連接控制系統(tǒng)。為了避免或降低信號(hào)干擾，熱控人員要熟悉和掌握提高系統(tǒng)抗干擾能力的方法，采取主動(dòng)預(yù)控措施，一旦發(fā)生干擾就能迅速查找并予以解決。信號(hào)干擾故障的常用處理有以下幾種。

2.1 利用軟件消除干擾的方法

通過(guò)軟件處理干擾信號(hào)的特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單易行、修改靈活、不需要增加硬件、節(jié)省資源，因此采用軟件抗干擾技術(shù)作為硬件措施的輔助手段來(lái)抑制干擾信號(hào)，可以取得很好的效果。

2.1.1 延遲濾波比較法抑制模擬量信號(hào)干擾

對(duì)于模擬量信號(hào)的周期性干擾，通過(guò)延遲濾波比較法進(jìn)行抑制可以取得較好的效果，組態(tài)邏輯見(jiàn)圖1。正常情況下，模擬量輸入信號(hào)（IN）經(jīng)過(guò)一階延遲濾波后直接輸出（OUT），即OUT=IN；當(dāng)有干擾信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)IN經(jīng)過(guò)一階延遲濾波后與含有干擾信號(hào)的IN信號(hào)相減，取絕對(duì)值與最大偏差值HL進(jìn)行比較，若大于或等于HL的預(yù)設(shè)值，OUT1=1，延遲濾波器LG切換至跟蹤狀態(tài)，此時(shí)OUT保持干擾發(fā)生前的采樣值IN，直到干擾信號(hào)減弱，OUT1=0，OUT=IN。該邏輯的缺點(diǎn)是一階延遲濾波時(shí)間time會(huì)影響信號(hào)的靈敏度。

圖1 延遲濾波比較法組態(tài)邏輯

2.1.2 信號(hào)變化速率及壞點(diǎn)閉鎖邏輯

圖2是目前在某些DCS系統(tǒng)中采用的信號(hào)變化速率保護(hù)邏輯。信號(hào)回路正常情況下，輸入信號(hào)大于保護(hù)定值H1時(shí)將發(fā)出保護(hù)跳閘信號(hào)。當(dāng)信號(hào)回路不正常時(shí)，判斷信號(hào)為壞點(diǎn)，屏蔽保護(hù)動(dòng)作輸出信號(hào)；當(dāng)信號(hào)的變化率超過(guò)設(shè)定的限值H2時(shí)，SR觸發(fā)器置1，保護(hù)動(dòng)作被閉鎖；測(cè)點(diǎn)故障消除后保護(hù)閉鎖解除，保護(hù)重新投入運(yùn)行。只要信號(hào)變化率的限值H2設(shè)置合適，在干擾、斷線(xiàn)情況下，該邏輯能夠有效防止保護(hù)誤動(dòng)。該邏輯的缺點(diǎn)是：報(bào)警手動(dòng)復(fù)歸連接的模塊如采用或門(mén)，速率大報(bào)警信號(hào)將隨著信號(hào)回歸而消失，運(yùn)行中速率保護(hù)動(dòng)作可能被運(yùn)行或熱工人員所忽視。如采用與門(mén)，速率保護(hù)動(dòng)作后要由運(yùn)行人員手動(dòng)復(fù)歸，才能使保護(hù)重新投入運(yùn)行，存在保護(hù)不能及時(shí)投入的可能。如將邏輯修改成如圖3所示，則上述缺點(diǎn)可以避免。該邏輯在信號(hào)回歸后，速率保護(hù)自動(dòng)恢復(fù)投入，而報(bào)警信號(hào)則需要人工手動(dòng)復(fù)歸才能消失，以提醒運(yùn)行或熱控人員進(jìn)行原因分析與查找。

圖2 信號(hào)變化速率及壞點(diǎn)閉鎖邏輯

使用該邏輯作為熱電阻信號(hào)速率保護(hù)時(shí)，還要注意熱電阻輸入通道模塊內(nèi)通常要設(shè)置一階濾波時(shí)間參數(shù)，若該時(shí)間參數(shù)設(shè)置過(guò)大，即使輸入溫度信號(hào)有較大變化，該模件輸出變化也可能變緩慢，此時(shí)若使用如圖3所示的邏輯作為溫度變化率邏輯，將失去控制意義。故組態(tài)時(shí)需修改系統(tǒng)默認(rèn)的一階濾波時(shí)間參數(shù)，將其設(shè)置成較小的值或0。

圖3 修改后的信號(hào)變化速率及壞點(diǎn)閉鎖邏輯

2.1.3 計(jì)數(shù)器法抑制數(shù)字量輸入信號(hào)干擾

數(shù)字量輸入的信號(hào)干擾可以利用計(jì)數(shù)器法進(jìn)行抑制，組態(tài)邏輯如圖4所示。當(dāng)外部有輸入信號(hào)IN，控制系統(tǒng)重復(fù)采集連續(xù)的脈沖個(gè)數(shù)達(dá)N（一般情況下取2）且采集結(jié)果完全相同時(shí)才視為有效，計(jì)數(shù)器輸出使RS觸發(fā)器輸出即OUT為1；當(dāng)外部輸入信號(hào)IN由1變成0時(shí)，非門(mén)輸出1，RS觸發(fā)器的復(fù)位端R為1，將RS觸發(fā)器的輸出復(fù)位成0。而當(dāng)有瞬間干擾脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器CON將采集不到連續(xù)的N個(gè)完全相同的脈沖（即多次采集的信號(hào)總是變化不定），CON計(jì)數(shù)器無(wú)法輸出。由于計(jì)數(shù)器響應(yīng)速度較快，可對(duì)周期性的瞬時(shí)干擾起到一定的抑制作用，但不能消除超過(guò)CON計(jì)數(shù)器采樣時(shí)間的干擾。在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的前提下，在各次采集數(shù)字信號(hào)之間插入一定的延時(shí)，數(shù)據(jù)的可靠性將進(jìn)一步提高。如果系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不是很高，建議指令重復(fù)周期盡可能長(zhǎng)。

圖4 計(jì)數(shù)器法抑制數(shù)字量干擾信號(hào)

2.2 消除干擾的硬件方法

通過(guò)加硬件設(shè)備的方法來(lái)處理傳導(dǎo)干擾時(shí)，通常采用試湊法，給信號(hào)發(fā)生源及被干擾設(shè)備的信號(hào)或電源線(xiàn)等安裝濾波、隔離、瞬間泄放等元器件，以消除、降低或阻止傳導(dǎo)干擾的傳輸。

（1）對(duì)于共模轉(zhuǎn)串模造成的干擾，可采用線(xiàn)纜通過(guò)電容接地（22～220 μF）的方式； 對(duì)于電磁感應(yīng)造成的串模干擾，可以采用信號(hào)回路間加濾波電容（約0.033 μF）的方式。開(kāi)始時(shí)先試接小容量，如有效果可逐步增加容量。對(duì)于電磁場(chǎng)耦合干擾，可在控制系統(tǒng)輸入信號(hào)芯線(xiàn)上套裝合適的磁環(huán)，如有效果再逐個(gè)增加磁環(huán)。在加大電容量或磁環(huán)個(gè)數(shù)過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)信號(hào)出現(xiàn)衰減，就應(yīng)減少當(dāng)前的電容容量或磁環(huán)個(gè)數(shù)。

（2）在防雷擊區(qū)域或露天安裝的變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備或DCS通道，可采用在信號(hào)通道輸入端加裝防浪涌保護(hù)器、壓敏電阻或齊納二極管和電容組合方式，發(fā)生雷擊時(shí)能快速響應(yīng)并限制過(guò)電壓，有效保護(hù)儀表設(shè)備或DCS通道。

（3）當(dāng)PLC的輸入或輸出端連接感性負(fù)載時(shí)，為抑制電路電弧對(duì)PLC的干擾，可在直流感性元件兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，并注意額定電流和電壓的選擇。在交流感性元件兩端可并聯(lián)浪涌抑制器，也可用電阻（51～120 Ω）和電容（0.1～0.47 μF）串接，電容的額定電壓應(yīng)大于電源峰值電壓。

（4）若控制回路中使用接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)作輸入信號(hào)源，由于這類(lèi)傳感器的漏電流較大，可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的輸入信號(hào)，此時(shí)可在控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入端并聯(lián)旁路電阻，以減少輸入電阻。

（5）在測(cè)量精度和系統(tǒng)誤差允許范圍內(nèi)，對(duì)電位差形成的對(duì)地環(huán)路、高頻和低頻干擾、電氣進(jìn)入DCS的信號(hào)和必須在現(xiàn)場(chǎng)端接地的變送器等傳感器，可在測(cè)量回路加裝信號(hào)隔離器，利用通道隔離技術(shù)切斷外部干擾竄入輸入/輸出通道的渠道。建議采用無(wú)源隔離器，否則，在電源容量允許的前提下，隔離器電源應(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。

（6）有雷擊侵入危險(xiǎn)的輸入通道，可用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（正溫度系數(shù)的熱敏電阻）代替電流保險(xiǎn)絲，既能阻止雷擊瞬間的電流侵入，也可免除經(jīng)常更換的麻煩。

3 結(jié)語(yǔ)

電力生產(chǎn)中不可避免地會(huì)遇到各種各樣的信號(hào)干擾，必須充分了解干擾產(chǎn)生的機(jī)理，掌握提高系統(tǒng)抗干擾能力的具體措施和消除或降低干擾影響的途徑，在控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試和檢修維護(hù)過(guò)程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，確保設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下可靠運(yùn)行。

[1]徐義亨.工業(yè)控制工程中的抗干擾技術(shù)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2010.