DCS網絡噪聲干擾原因分析及對策

張 興 蔡 兵 陳勝利

(安徽省電力科學研究院，安徽 合肥 230001)

0 引言

某電廠2×300 MW機組自基建調試及投入商業運行以來，常發生DCS上位機報警信號頻繁異常觸發和部分DPU網絡噪聲在短時間內大幅上升并發出警報的現象。若兩塊冗余DPU同時發生該類報警，則會導致該控制器癱瘓，嚴重威脅到機組的安全穩定運行。為此，安徽省電力科學研究院在1號機組檢修期間對該廠DCS開展了相關測試及分析工作。

1 系統簡介

電廠兩臺DCS機組采用全進口的美國Honeywell公司TPS分散控制系統，其設計的接地系統分為主參考地和安全地兩部分。

①主參考地:它是信號線屏蔽層的接地，用于抑制干擾信號。DCS機柜內電源轉換模塊的一路接地線也接入主參考地銅排，為系統邏輯地提供電壓參考點。主參考地接地結構圖如圖1所示。

圖1 主參考地接地結構圖Fig.1 Grounding structure of main reference to ground

②安全地:機柜外殼的接地、機柜網絡TAP頭的接地、DCS機柜內電源轉換模塊的另一路接地線均接入安全地銅排。

安全地接地結構圖如圖2所示。

圖2 安全地接地結構圖Fig.2 Grounding structure of safe grounded

1號機組的各高性能過程處理器(high performance process manager，HPM)機柜、現場端子接線(field terminal assembly，FTA)機柜、單元節點機柜以及R02繼電器機柜均具備以上兩個接地系統。上述機柜內前后面的底部分別設有安全地銅排和主參考地銅排。這些接地銅排分別接至電子間主參考地匯流排和安全地匯流排后，連接至電纜夾層內對應的主參考地接地箱和安全地接地箱，兩接地箱通過電氣接地網與大地相連。

1號機組的單元電源機柜、鍋爐跳閘(boiler trip，BT)機柜以及各繼電器機柜(除R02機柜外)由于沒有外部信號接入，柜內都只有一路安全地銅排。柜內接地線經機柜內底部的安全地銅排、電子間安全地主匯流排匯流后，接至電纜夾層的安全地接地箱，接地箱通過電氣接地網與大地相連。

需要說明的是，1號FTA機柜、單元節點機柜和R02繼電器機柜的安全地銅排直接通過接地電纜與電纜層的安全地接地箱相連，而其他機柜的各接地銅排均通過電子間的主接地匯流排與接地箱相連。

2 檢測分析過程

對于DCS系統網絡噪聲上升的現象，分別從DCS系統的接地架構是否合理、相關參數是否符合有關規程指標要求等角度進行查找、分析［1－3］。為保證系統安全運行，測試工作主要在處于檢修期的1號機組上進行。

2.1 接地電阻測試

現場采用接地電阻測試儀對1號機組的各機柜主參考接地和安全接地的接地電阻進行了全面測量。

根據《火力發電廠分散控制系統驗收測試規程》DL/T 659-2006規定:當DCS與電廠電氣系統共用一個接地網時，控制系統地線與電氣接地網只允許有一個連接點，且接地電阻應小于0.5 Ω。

經測試，1號機組DCS所有機柜的匯流銅排到電氣的整個接地系統接地電阻符合規程要求。因此，可排除由于機柜接地電阻過大而導致DCS信號干擾的可能。

2.2 接地電纜排查

2.2.1 接地電纜排查要點

DCS各接地系統應采用“單獨引出、一點接地”原則，各接地線除匯總點外應相互隔離，即從系統總接地點往上看，接地系統應為樹狀結構，不允許接地形成環狀網絡［4－6］。同時為確保 DCS網絡的正常運行，還應做好網絡設備的接地及其和其他設備的隔離工作，避免因竄入干擾電流而對DCS網絡產生影響［7］。

2.2.2 接地電纜排查內容

為進一步找出1號機組DCS信號干擾及網絡噪聲上升的原因，對各機柜內接至銅排的所有外部信號屏蔽線、機柜外殼接地線、網絡TAP頭接地線、電源轉換模塊接地線以及各段接地電纜的安裝、分布進行了梳理，并對各接地電纜對電氣接地網的電壓進行了測量。

2.2.3 存在問題及分析

通過對1號機組各機柜接地電纜的全面檢查發現，盡管所有機柜內所有接地電纜用鍍鋅螺栓壓接在接地鍍錫銅排上，其中單股屏蔽線匯編成辮、使用壓線接頭壓緊，安裝規范可靠，但也存在如下問題。

①根據TPS系統的設計、生產原則及現場測試結果可知，機柜的網絡TAP頭接地點和機柜外殼是相通的，相互之間電阻為零。廠家考慮到TAP頭接地點和機柜外殼可能接觸不好，又將網絡TAP頭和機柜外殼的接地電線接至安全接地銅排。這樣在三者之間形成了一個環狀結構，不利于網絡干擾的快速消除。同時，當DCS機柜發生漏電等情況時，干擾電壓極易通過機柜外殼與網絡TAP頭的連接而影響到DCS網絡的正常運行。

②在1號機組調試過程中，DCS廠家技術人員在處理網絡噪聲干擾問題時，將1號FTA機柜相鄰幾個機柜的網絡TAP頭接地線匯總至1號FTA機柜的安全地銅排，并增加了一根接地電纜。該電纜用于將該安全地銅排直接接至電纜層的接地箱。這就使得1號FTA機柜安全地銅排對地的電纜變成了兩根:該機柜安全地銅排原設計的一根接地電纜通過安全地主匯流排接至電纜層的安全地接地箱;而調試期間由DCS廠家增加的一根安全地接地電纜則由該機柜安全地銅排直接接至接地箱。1號FTA機柜安全地接地示意圖如圖3所示。這就形成了一個環網，即“兩點接地”，違背了DCS系統接地原則。

圖3 1號FTA機柜系統安全地接地示意圖Fig.3 Schematic diagram of the safe grounding for No.1 FTA cabinet

③TPS系統HPM機柜內部的電源轉換模塊設計有兩路接地電線，其中一路接至機柜內的安全地銅排，另一路接至主參考地銅排。在電源轉換模塊內部，這兩路接地應是相互隔離的，但在測試過程中發現，當將電源兩路接地線正常接入對應銅排并給柜內電源送電后，柜內兩銅排間阻值為0，即兩銅排通過機柜電源的接地電纜相通。

針對此現象對系統抗噪能力的影響，現場也專門進行了比對試驗。

首先，將1號機組所有機柜電源的接地線從兩接地銅排上解除，此時同一機柜內的兩接地銅排完全隔離。采用數字熒光示波器TEKTRONIX DPO4050測量一HPM機柜內的主參考地銅排、安全地銅排對地的交流電壓波形，結果均為峰谷值為2.2 V左右的雜波。

然后將1號機組所有機柜內的電源接地線重新接入兩接地銅排，再次測量該機柜主參考地銅排、安全地銅排對地的電壓波形。測量發現，兩銅排對地電壓波形峰谷值均有增大，分別達到4.2 V、5 V。

上述測試結果表明，電源模塊接地線接入銅排后，同一機柜內兩隔離的接地系統銅排相通，這一方面降低了系統的抗干擾能力，另一方面也將系統電源產生的干擾信號并行引入系統主參考地和安全地。

2.3 信號屏蔽電纜檢測

信號屏蔽電纜壓線接頭浮空后，在對電氣接地網的電壓測量過程中發現，各機柜大部分接地電纜沒有或只有微弱的交流干擾電壓存在，但也有少數電纜存在較大的交流干擾電壓。

1號機組R02繼電器機柜的主參考地與一束屏蔽電纜相連接，測得該屏蔽電纜壓線接頭對地的交流干擾電壓達到48 V左右。

為了測試這一干擾電壓對系統的影響，首先將該束屏蔽電纜從銅排中解除，采用數字熒光示波器TEKTRONIX DPO4050測量該機柜安全地銅排、主參考地銅排和網絡TAP頭對地的交流電壓波形。顯示結果均為峰谷值為2.2 V左右的雜波。

將這束屏蔽電纜接入機柜的主參考地銅排后，機柜內的安全地銅排、主參考地銅排以及網絡TAP頭對地的電壓峰谷值都明顯增大，分別約為3.2 V、3.6 V、2.8 V。

為進一步驗證屏蔽電纜所帶交流電壓對DCS系統的影響，特選擇2號機組R02繼電器機柜做對比試驗。該束屏蔽電纜存在240 VAC電壓。

試驗過程中，首先測得干擾交流電壓有效值達到240 VAC左右。將該束電纜從銅排中解除，采用數字熒光示波器TEKTRONIX DPO4050測量該機柜系統主參考地銅排對電氣接地網的電壓。結果為峰谷值約8.4 V的雜波。將這束帶240 VAC干擾電壓的屏蔽電纜接入R02機柜的主參考地銅排后，測量得到主參考地銅排對地電壓波形中出現了大量隨機尖波，峰谷值達到77 V。

未將這束屏蔽電纜接入DCS系統主參考地銅排時，正在運行的2號機組控制系統工作正常;一旦將這束電纜接入銅排，DCS網絡噪聲快速上升并發出報警。

通過對測試波形的對比分析可知:將帶較高交流干擾電壓的屏蔽電纜接入主參考地銅排后，機柜內安全地銅排、主參考地銅排和網絡TAP頭的對地電壓都有增大且出現大量隨機尖波，并且DCS自檢程序記錄的網絡噪聲也出現快速變化，DCS控制器的安全穩定運行受到嚴重影響。

3 原因分析

通過現場測試、試驗、對比，對該電廠兩臺機組DCS網絡噪聲干擾原因分析結果如下。

①接地電阻的測試結果表明，1號機組DCS接地系統接地電阻符合規程要求，但兩臺機組接地系統的結構都存在局部“環網”的問題，如網絡TAP頭、機柜外殼、安全接地銅排三者之間的環網;1號FTA機柜安全地銅排存在兩根對地的電纜;系統安全地和主參考地通過電源模塊相通，在系統總接地點匯合，形成環網。整個接地系統結構不符合DCS的接地原則——“單獨引出、一點接地”，從而造成DCS系統抗干擾能力降低，這是網絡噪聲形成的內在原因。

②兩臺機組部分現場信號的屏蔽電纜帶有較強的交流干擾電壓，并通過“環形”接地系統引入DCS通信網絡，給DCS網絡安全帶來較大隱患，這是網絡噪聲上升的外部原因。

③兩臺機組還存在少量現場信號的屏蔽電纜接至TPS系統安全地銅排的現象，一旦由于現場條件的變化使這些屏蔽線帶上較強的交流干擾電壓，將對DCS網絡造成干擾。

4 處理建議

為徹底解決該電廠兩臺機組DCS網絡噪聲干擾問題，提出如下建議。

①1號FTA機柜的安全地銅排現存在“兩點接地”現象，應解除其中一路接地電纜。

②1號機組部分HPM機柜內電源通電后存在電源模塊兩路接地線相通的現象(本次檢修過程中新增加的HPM機柜電源模塊無此現象)，使得系統主參考接地銅排和安全接地銅排在各自機柜內相通。建議聯系廠家進一步查找原因并加以解決。

③1號機組在調試過程中已將網絡TAP頭的接地線單獨匯流后直接接至電纜層安全地接地箱，建議2號機組也參照此處理。同時建議將網絡TAP頭與機柜隔離(如有可能)，以保證TAP頭接地獨立。

④按照TPS系統接地要求，將接至安全地銅排的屏蔽線移至主參考地銅排，避免現場干擾引入系統安全地。

⑤初步確定了多束屏蔽電纜帶有較強的交流電壓，建議進一步進行梳理，找出屏蔽線帶電的具體電纜?？梢韵葘⑦@部分電纜的屏蔽層在現場信號端接地并觀察效果，若仍對DCS造成干擾，則應考慮重新鋪設電纜(信號電纜與動力電纜分層鋪設，以避免干擾)［8］。

⑥為防止電纜進入機柜后形成“天線”效應、破壞機柜的屏蔽效果，重要信號電纜的備用芯應可靠接地，其他信號電纜的備用芯應置于控制柜的下部位置，同時重要信號的電纜屏蔽層應盡可能在靠近接線端子處剖開［9］。

總之，在后面整改過程中應做到以下幾點。

①DCS機柜外殼、電源地、屏蔽地、邏輯地等應分別接到機柜各接地銅排上，并將各機柜相應接地銅排連接后，再用銅芯電纜引至主接地體。

②應保證DCS系統滿足“一點接地”的要求，整個接地系統最終只有一點接到接地地網上，并滿足接地電阻的要求。

③DCS輸入輸出信號屏蔽線要求單端接地。若信號端不接地，屏蔽線應直接接在機柜地線上;若信號端接地，屏蔽線應在信號端接地。

5 結束語

完善、可靠、正確的接地既是DCS系統能夠安全、穩定和良好運行的關鍵，又是影響發電廠長周期生產的關鍵，很多DCS系統運行中出現的故障往往是由于系統接地不好引起的。本文全面詳細地介紹了在某電廠DCS頻繁發生異常報警后對該廠DCS的接地系統所進行的排查、檢測和分析工作的過程，找出了導致報警信號異常的原因所在，并提出了進一步處理的建議。希望通過本文的分析和建議，可以對其他同類型發電廠的DCS接地系統的安裝、維護及問題排查工作提供一定的參考。

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