電磁場環境中提高DCS干擾抑制能力的探討

龔有明

（云南化工設計院有限公司，云南昆明650041）

在工業領域，由于工程環境復雜，產生干擾源的因素多種多樣，如電磁場、磁場、高低壓開關分合閘、變頻器、對講機、雷電等，感受體受到干擾的影響程度也不相同。對于以電子設備為主的分散控制系統（DCS）來說，由于系統復雜，設備多，I/O端口多，連接的電纜較長，為干擾入侵控制系統提供了條件；在多數情況下，干擾的產生已影響到DCS的正常工作，嚴重時會引起安全事故。筆者結合某黃磷工程項目實例，分析、總結了在電磁場環境下提高DCS的抗干擾抑制能力的方法。

1 黃磷生產工藝簡介

黃磷生產工藝采用電爐法，將電能轉化為熱能，在電爐內熔融磷礦石、焦炭和硅石，產生含磷氣體后，冷凝、吸收、凈化后得到黃磷，生產裝置控制采用電儀一體化的DCS。

中國的黃磷工業雖然起步較晚，但經過多年來各地黃磷裝置的大量建設，生產規模不斷擴大，由于原料及運行成本的原因，目前國內黃磷裝置單臺爐大都采用2×104～3×104k V·A的磷爐變壓器，6根φ600 mm或7根φ700 mm的石墨電極；實際工程中磷爐變壓器的額定容量為2.5×104k V·A，6根φ600 mm石墨電極。磷爐變壓器二次側到電爐的運行工況為三相電流、頻率為50 Hz的低電壓及大電流，在該工況下，將不可避免產生強的電磁場。由于工藝控制室要求盡可能靠近電爐爐蓋，以便操作人員能看到現場電極的升降工作情況，在以往的工程設計中，控制室中的DCS始終處在強電磁場的環境中，雖然控制室采取了屏蔽等措施來抑制電磁干擾，但DCS還是不能很好地正常運行，CRT顯示的圖像?；味秳?，嚴重影響了操作人員的正常工作。

2 干擾源分析

干擾DCS正常運行的因素多種多樣，有電磁場、磁場、雷電、高低壓開關分合閘、變頻器、對講機、大功率用電設備、各種噪聲、耦合、儀表系統接地不良等。在這些干擾因素中，對DCS影響比較大且較難抑制的是電磁場。結合工程實際，主要討論電磁場對DCS運行的影響。磁場干擾種類[1]包括：

1)交流磁場。一般由周圍的交流電流產生，如磷爐變壓器三相輸出的低電壓、大電流產生的磁場。

2)工頻磁場。這是最常見的干擾，如導體中的工頻電流產生的磁場，還有極少數變壓器、電動機等電力設備產生的漏磁。

3)脈沖磁場。它是由雷擊建筑物和其他金屬構架，包括天線桿、引下線、接地體和接地網以及在低壓、中壓和高壓電力系統中因故障的起始暫態產生的，也可以在高壓變電所，因斷路器切合高壓母線和高壓線路時產生，其波前時間和半峰時間都是微秒級的。

4)射頻電磁場。對講機、變頻器、電焊機等產生的電磁輻射。

5)阻尼振蕩磁場。磷爐變壓器的隔離開關分合閘時產生的磁場。

根據黃磷電爐法生產工藝的特性，磷爐變壓器的位置應盡量靠近電爐，通常在10 m以內，三相磷爐變壓器通過短網銅排與電爐電極把持器連接，每相有4根銅排分別接到電爐電極把持器上，共有12根銅排，對6根石墨電極做功，將電能轉換為熱能。實際生產中爐內工況復雜且不斷變化，為了使黃磷爐的電耗最低，需要不斷地調節電極的升降，使得磷爐變壓器的三相平衡，電源中性點處于“零”狀態，此時變壓器的效率最高，通常采用控制調節磷爐變壓器的二次電壓和二次電流來達到電源中性點處于“零”狀態。由于二次電流的不斷變化，產生了強的電磁場，雖然銅排在布置上已充分考慮到每根銅排產生的磁場，盡可能相互耦合抵消或消弱，但實際上銅排周圍環境中還是有較強的電磁場，且是無規則的；在有碳鋼部件的法蘭、管道處，因處理措施不當產生電磁渦流，導致碳鋼部件發熱發紅的現象時有發生。

3 干擾抑制方法

3.1 控制室的位置

由于電磁的特性取決于源、源周圍的介質以及源和觀察點之間的距離，將輻射源周圍的空間分為兩個區域，即近場和遠場（感應場和輻射場）。

1)在遠場中，電磁波十分規整，電場和磁場在強度上有固定的比例關系，通常把電場強度E和磁場強度H的比值定義為波阻抗Z，即：

式中：E——電場強度，V/m；H——磁場強度，A/m。

2)對近場而言，波阻抗取決于干擾源的特性以及離干擾源的距離，近場主要為磁場，波阻抗呈低阻抗特性以電感耦合的噪聲為主[1]。根據這一理論，將通過低電壓、大電流的短網銅排產生的電磁場的區域劃分為近場，離近場區域越遠干擾源對感受體的干擾越小，通常兩者之間的距離應大于λ/2，λ為電磁波的波長，DCS控制室的位置處于遠場中，即自由空間，受到電磁場的干擾程度是最低的。實際工程中將DCS控制室布置于緊靠廠房外的端頭，生產裝置投運以來DCS穩定工作，因而合理設置控制室位置可大幅提高DCS的抗干擾能力。

3.2 控制室的屏蔽

控制室的屏蔽方式主要有建筑物的自身屏蔽、金屬網格的格柵型大空間屏蔽和用金屬板材圍成的殼體屏蔽等[1]。建筑物的自身屏蔽效果要差一些，適用于工程環境不復雜，干擾源不多或控制室遠離干擾源的環境；金屬板材圍成殼體的屏蔽效果最好，適用于工程現場條件有限的場合。如某黃磷裝置的控制室屏蔽就是采用該方式，設計時用3 mm的碳鋼板敷設到控制室內的6個墻面，為了不讓磁場在控制室內形成磁環，必須每面墻上的鋼板不連接，保留很小的縫隙，其缺點是投資較大，施工困難。金屬網格的格柵型大空間屏蔽可以根據控制室所處環境選擇格柵寬度來達到屏蔽效果。

從上述磁場干擾的種類來說，交流磁場和雷電產生的脈沖磁場對控制室內的控制系統影響最大，由于交流磁場的磁場強度較難確定，可參照雷電產生的脈沖磁場來計算金屬網格的格柵型大空間屏蔽網格寬度，并按閃電擊在控制室建筑物以外附近的情況和閃電直接擊在控制室建筑物上兩種情況來計算網格寬度，文獻[1]已針對這兩種情況作了網格寬度計算，該處需注意，閃電擊于控制室建筑物以外附近的情況，其計算的前提條件是雷擊點至屏蔽空間的平均距離為30 m，鋼筋半徑為5 mm。在工程應用中可結合實際情況參考選取屏蔽網格寬度，該處不再贅述。

該項目中控制室的屏蔽采用的是格柵型屏蔽方式。由于控制室的位置緊靠主廠房端頭，可按閃電擊于建筑物以外附近的情況來選擇屏蔽網格寬度。因控制系統各廠家的脈沖磁場抗擾度可能不一樣，選擇時最好按要求高的選取，即脈沖磁場抗擾度為100 A/m，一般情況為300 A/m，雷電防護等級為A級，網格寬度不大于0.38 m，距屏蔽壁的最短安全距離不小于0.78 m。工程設計中，網格屏蔽的材質為碳鋼，為了降低造價，屏蔽鋼筋半徑為3 mm，網格寬度為0.15 m，施工時屏蔽網格相鄰面不連接，留有縫隙，避免形成磁場回路，且要可靠接地。

3.3 信號隔離

DCS接收到的I/O信號不完全是熱電偶、熱電阻、變送器等弱電信號，通常還包括電氣控制器信號，如變頻器、各種開關信號、交流互感器的電壓電流信號等，它們之間的信號傳輸既有微弱到毫伏級、微安級的小信號，又有幾十伏，甚至數千伏、數百安培的大信號；既有低頻直流信號，也有高頻脈沖信號等，各種干擾將通過信號線、電源線以及通信線等被直接傳到DCS的電子電路，造成系統的不穩定甚至誤操作。對所有I/O信號應采用信號隔離器進行隔離，對供電電源采用UPS進行隔離，可有效地抑制和降低對DCS的干擾。

3.4 儀表接地

儀表接地系統對DCS抗干擾抑制是不可缺失的，尤其是電磁場環境和雷電較多的地區，儀表系統接地種類分為保護接地、工作接地、本質安全系統接地、防靜電接地和防雷接地。在工程設計時應充分考慮工程環境，按照SH/T 3081—2003《石油化工儀表接地設計規范》和HG/T 20513—2014《儀表系統接地設計規范》做好接地系統設計，施工時做好監督和隱蔽工程的驗收，將會很好地抑制或消除干擾。

4 結束語

抑制電磁場對DCS的干擾是比較復雜且不易解決的工作，儀表工程設計人員往往因對強電流產生的磁場環境分析較困難而忽視了電磁場干擾問題，造成在工程設計時對電磁場的干擾抑制采取的措施不夠，項目建成后發現DCS不能穩定正常工作和安全運行，再采取整改措施，就需要很大的投入，有時甚至非常困難。類似于黃磷裝置大功率做功，將電能轉換為熱能的化工裝置控制室設計，需要對電磁場環境作分析研究，合理設置控制室的位置和采取必要的抗干擾措施，將會達到事半功倍的效果。