石化行業分布式控制系統信號干擾原因與對策

李 健，谷 寧

（陜西燃氣集團工程有限公司，陜西西安 710200）

0 引言

石油化工企業生產中的DCS（Distributed Control System，分布式控制系統），是利用計算機系統，對生產的全過程進行監督管理。隨著化工生產的智能化發展，為控制生產成本，需要加強DCS的研究，提高其管理效率，為生產的發展提供有力的支持。

1 DCS信號干擾原因

在石油化工行業生產工藝發展的同時，對生產指標的控制越來越嚴格，其中對儀表測量準確性的要求也越來越高，減少DCS信號干擾是從業人員關注的焦點問題。DCS中存在的信號干擾，也被稱作噪聲，和所需要的信號沒有聯系的無關電信號。在系統中，干擾會影響測量結果，導致測量誤差，若出現如雷擊等嚴重干擾，可能會破壞裝置設備。

1.1 電阻耦合干擾

多個信號線在同一時刻傳輸時，可能會因為絕緣材料的破損引發漏電問題，從而產生干擾現象。在一些控制系統中，傳感器發生漏電，碰觸到帶電物體之后會產生嚴重的干擾。使用不合理方式接地時，像信號線兩側的接地，形成的電位差將導致重大干擾的出現。在信號線距離比較遠時，信號線兩端接地，之間將形成巨大的電位差，信號線上產生環流現象[1]。

1.2 電容電感耦合干擾

不同物體對電荷的束縛能力不同，物體中電位極容易發生變化，電位變化也將引發電容的耦合，形成測量回路的干擾。一般情況下，現場控制柜中接有很多信號線，這些信號線部分使用電纜槽，部分使用電纜管。信號線同時布線，信號線之間存在很多電容分布，對其他信號線產生干擾。特別是交流信號線周圍將會產生交變磁通，在導體之間形成電勢，導致電勢干擾信號的產生。

1.3 雷擊干擾

當遇到雷擊時，在所需信號線周圍會產生巨大的電磁干擾，其中也有一部分接地線導致的干擾。雷擊帶來的干擾主要有兩種方式，一種是電源線被架空，信號線受到雷擊導致干擾的發生。另一種是信號電纜附近受到雷擊，導致信號線上分布了電容以及電感耦合，產生強干擾，嚴重的會直接損壞設備，給人員安全帶來傷害。

1.4 附加電勢干擾

儀表信號回路經過區域溫度的變化，還有部分區域中電纜存在一定程度的腐蝕情況，讓信號線表面受到損傷，大功率設備附近存在一定程度靜電場，在大型設備的運行過程中，會產生振動，導致儀表回路中出現附加電勢。

1.5 變頻電磁干擾

很多電氣設備需要進行調頻控制，在使用變頻器的過程中，容易產生中頻干擾信號和低頻干擾信號，導致變頻器周圍的儀表電纜產生變頻電磁干擾。

2 DCS抗信號干擾對策

近年來，DCS逐漸發展為高度集成化和高度模塊化，但模塊化抗干擾能力較差，價格也十分昂貴，DCS外部電路的環境十分惡劣，包含著很多不確定性，受到干擾的程度十分嚴重，需要加強對這一問題的研究。DCS運行中若沒有控制好干擾信號，不僅會影響到測量信號的質量，導致控制功能的故障，還會影響損害到設備。因此提出信號干擾控制對策，以提高抗干擾能力。

2.1 隔離處理

首先需要進行信號線的隔離，能讓全部信號線被絕緣處理，避免漏電現象，還能避免受到不良接觸而產生的干擾現象。其次，要在電纜槽中對各類信號線做隔離處理，或使用隔板進行隔開。不同的信號抗噪聲能力不同，可以根據抗噪聲干擾能力進行分級處理。對模擬量信號如輸出信號、輸入信號，對于高頻脈沖信號的抗干擾能力比較差，可以使用屏蔽雙絞線的連接方式，或使用單獨電線管，而不能將其他信號線共同鋪設在一個電纜管中。同一類的信號線可以在一根電纜管中走線，對于相似種類的信號線，需要在一根電纜管中走線，使用金屬隔板將信號線互相隔開。

其次，還可以在相關電氣設備中隔離信號源，使用控制柜的方法，降低控制柜的卡件受到共模干擾的影響，避免出現嚴重損壞。可以通過隔離放大器、將信號輸入端子及控制柜之間完全隔離。必要的話，還可以使用變壓器和繼電器等工具，隔離開關量。最后可以對供電系統進行隔離，避免導線上出現共模高頻信號給系統帶來安全隱患。可以在供電系統的線路上安裝變壓器，最大程度減少干擾問題，在這個過程中，要注意變壓器的屏蔽層，變壓器線圈使用雙絞線形式，變壓器屏蔽層接地處理。

2.2 扭絞信號導線

控制信號干擾還可以使用扭絞信號導線的方法，也就是使用雙絞線取代平行導線，讓磁場干擾得到控制。在扭絞線中有交變的磁通經過，電動勢將有相反的磁場，磁場互相抵消，減弱信號干擾效果。信號線互相扭絞時，信號回路面積減少，2個信號線到干擾源的距離基本相同，一部分的電容也一致，磁場和電場在感應耦合的情況下產生干擾得到降低，抑制電磁干擾[2]。

2.3 屏蔽處理

在DCS中，使用金屬導體對元件、信號線和組合件進行隔絕處理，能對電容性噪聲起到抑制作用。例如：對雙絞線連接的模擬信號進行屏蔽，通常情況下，電噪聲不僅會干擾信號，還會影響到交變磁場產生干擾信號。因此，可以使用電屏蔽方式，還可以使用磁屏蔽方式，使用導磁性優越的材料進行處理。用金屬導體包裹住信號導線后，再對外套的絕緣層進行包裹處理，最大程度上避免電場干擾。同時屏蔽層需要進行接地處理，讓感應電壓得以降低。另外，將信號線穿插到鋼管中，強化屏蔽信號干擾的效果。隨著屏蔽材料的不斷完善，施工水平有了很大提高，使用這樣的抗干擾方式，DCS的抗干擾能力大幅度提高。例如：對于現場測量高精度儀表，可以使用分層屏蔽聯合總屏蔽的方式，對儀表傳輸的信號進行保護，對干擾信號進行控制和減少。可以選擇加裝封閉外殼的方式，對信號進行隔離處理，需要保證外殼具備良好的導電性，削弱輻射干擾。

2.4 DCS接地處理

DCS接地處理的作用：①在系統中有信號和電源進入，或系統自身發生故障的時，接地系統能承受超過最大負荷的電流，同時將電流傳入地下。②接地系統能給DCS提供屏蔽層，形成對電子噪聲的干擾，也能夠給系統提供參考零電位。在DCS中包含2種接地，一種是工作接地，另一種是保護接地。

保護接地：DCS機柜外部的儀表信號電纜包括電纜槽段、信號保護段、接線箱以及儀表末端。儀表電纜槽段需要設置黃綠接地線可對電纜進行接地保護，保護槽內需要使用分隔板對儀表信號線進行分隔。儀表信號的保護管段需要進行兩段保護接地，選擇就近接地的方式，將鋼結構、管線和接地網相連接，現場使用鎧裝屏蔽電纜，鎧裝保護金屬層需要在兩端設置接地保護，現場的接線箱要和附近的接地網做好跨線連接。

工作接地：DCS工作接地，首先要保證工作接地在總接地點前，不和保護接地出現混接情況。其次要保證接地線在匯總到總接地點之前完全絕緣，工作接地電纜互相之間不發生任何接通。最后，工作接地要和接地網連接，要從總接地板中實現單獨接線。DCS工作接地，要以單點接地為原則，避免出現回路中形成接地回路的情況。例如：線路中，儀表和信號源都要進行接地處理，需要使用隔離器將兩點進行接地處理，保證兩點隔離。

2.4 雷擊保護處理

雷擊的抗干擾保護有2種方式：①對于耦合干擾，要在電纜管和電纜槽內布置信號線，由于這兩種裝置具有良好的接地措施，能夠預防雷擊干擾。②對于架空信號線干擾，要在控制柜的輸入端使用防雷擊方式，控制柜設置壓敏電阻以及避雷器，起到抗信號干擾的作用。例如：使用接閃器進行防雷接地，就是使用避雷針、避雷線的方式，也可以使用引下線的方式，使用黃綠接地線將機柜接地端子連接到防雷接地網上，安裝這樣的裝置，能有效削弱雷擊帶來的影響，同時還能對靜電起到防護作用[3]。

2.5 本安系統接地

很多儀表都安裝了本安測量回路，達到了本安防爆的標準。本安測量回路讓安全柵實現故障中隔離危險場所，要求安全柵和直流電源相連接，才能實現對場所的隔離，同時安全柵的接地必須要個電源中線相連接，即安全柵接地方式的選擇受供電電源屬性的影響。使用隔離式安全柵，系統具有安全儀表，不需要專門實施接地，安全柵安全儀表需要設置連接接地系統，信號回路接地要和安全儀表接地相連接[4]。

2.6 維護措施

為保障DCS穩定運行，系統的養護措施十分重要，完善的系統保養能夠讓干擾信號逐漸消除，系統壽命得以延長。例如：在DCS機柜中安裝預防靜電的接地樁，系統先經過接地樁消除靜電。在日常運行中，要保證系統控制室的溫度及機柜溫度（15～30）℃，濕度20%～80%。另外，還要加強控制機柜內的空氣微粒，盡量減少灰塵的產生。除此之外，要在控制室建立維護制度，保證控制系統穩定運行。

3 結語

分析石油化工行業DCS信號干擾原因，包括引入電阻耦合帶來的干擾、引入電容電感耦合帶來的干擾、雷擊帶來的干擾、附加電勢帶來的干擾、變頻電磁干擾等，提出DCS抗信號干擾對策，包括進行隔離處理、扭絞信號導線、屏蔽處理、DCS接地處理、雷擊保護處理、本安系統接地等，還需要加強維護措施。