王 兵

(中國石油大慶煉化公司 聚丙烯廠控制車間，黑龍江 大慶 163000)

石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王 兵

(中國石油大慶煉化公司 聚丙烯廠控制車間，黑龍江 大慶 163000)

為了提高石油化工儀表的防雷安全性，進行防雷接地系統(tǒng)的優(yōu)化設計，提出一種基于漏感和勵磁電感增益分配和檢波控制的防雷接地系統(tǒng)設計方法，基于麥克斯韋全電流定理，進行石油化工儀表防雷接地的電磁場分析，以雙運放LM358放大器為核心進行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)電路設計，主要包括了交流放大器設計、濾波器設計、檢波器設計和直流放大器設計，在檢波設計中采用8階高通濾波器(S3529)并聯(lián)，提高防雷接地系統(tǒng)的輸出運放性能，最后進行系統(tǒng)調(diào)試和電路測試；結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進行石油化工儀表防雷接地設計，防雷的阻帶衰減大于51 dB，對雷擊信號具有較好的高通濾波和低通濾波性能，較好地保護了石油化工儀表安全。

石油化工；儀表；防雷接地系統(tǒng)；濾波器；檢波器

0 引言

石油化工工業(yè)生產(chǎn)中，由于原材料和成品的易燃易爆性，對石油化工儀器的防雷和防靜電等方面的安全保護提出了較高的要求，石油化工儀表是進行石油化工生產(chǎn)監(jiān)測和測量的電子敏感元件，當受到雷擊時，如果沒有較為有效的接地系統(tǒng)，將會對儀表造成嚴重的損壞，因此研究石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設計方法，對提高石油化工儀表的防雷安全性，提高儀表和生產(chǎn)過程的安全性方面具有積極重要的意義，相關的系統(tǒng)設計方法研究受到人們的極大重視[1-2]。

隨著石油化工行業(yè)的高速發(fā)展，石化企業(yè)無論是在規(guī)模還和數(shù)量上都在不斷地增加，現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展，也推動著儀表體系更新?lián)Q代的速度不斷加快，儀表系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡化取得了巨大成績。然而，石油化工儀表系統(tǒng)所存在的普遍過壓和過流、耐受能力差、絕緣強度低，對電磁干擾敏感的弱點等等，影響了儀器儀表系統(tǒng)的正常工作。加強儀表設備必要的防雷保護措施,防止因雷擊而導致儀表設備的工作失靈，損害儀表設備的安全運行，保證石化企業(yè)安全生產(chǎn)具有積極意義。

石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的設計建立在對雷擊信息的檢測和濾波基礎上，對雷擊電流信號的探測分為觸發(fā)引信和非觸發(fā)引信兩種主要形式[3]，通過對石油化工儀表雷擊現(xiàn)場的電場強度測量和自適應檢波設計，實現(xiàn)防雷接地系統(tǒng)設計，文獻[4]中提出一種基于電涌過電壓保護器設計的儀表防雷接地系統(tǒng)設計方法，采用本機振蕩幅度調(diào)制進行防雷擊接地保護器設計，提高了對雷擊過程中的電涌過載失真，提高了誤差補償性能，但是該系統(tǒng)受到漏感和勵磁電感的影響較大，在受到較大強度的雷擊時保護性能不好。針對上述問題，本文提出一種基于漏感和勵磁電感增益分配和檢波控制的防雷接地系統(tǒng)設計方法，以雙運放LM358放大器為核心進行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)電路設計，主要包括交流放大器設計、濾波器設計、檢波器設計和直流放大器設計，最后進行系統(tǒng)測試分析，得出有效性結(jié)論。

1 石油化工儀表防雷現(xiàn)狀

石油化工產(chǎn)業(yè)DCS 系統(tǒng)是一套兼有生產(chǎn)模式和生產(chǎn)控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)在當前的石化生產(chǎn)中應用較為廣泛，系統(tǒng)中的儀表設備較多，可以說是整個石化工業(yè)生產(chǎn)流程的總指揮部，因此，能否保證這套系統(tǒng)正常運行也是關乎石化企業(yè)的生產(chǎn)和運行的關鍵。石化DCS 控制系統(tǒng)包含了電源、儀表等設備，在遭遇雷電時，現(xiàn)場儀表和智能儀表變化產(chǎn)生相應的雷電干擾，有可能會發(fā)生因雷電損害網(wǎng)絡和變送器的設備工作，而這些設備之間由于是相互的連通，一旦發(fā)生相互干擾就會導致儀表設備的整體癱瘓，嚴重的會導致整個控制系統(tǒng)發(fā)生故障，整個生產(chǎn)工程會被迫停工。

2 原理分析及防雷接地系統(tǒng)總體設計構(gòu)架

2.1 防雷接地原理分析及設計對象描述

(1)

(2)

如果電磁場是諧變的，即：

(3)

把空氣介質(zhì)當作良導體，則對導電媒質(zhì)中的諧變電磁波進行電磁場分析，對雷擊的麥克斯韋方程兩邊取旋度，則：

(4)

基于麥克斯韋全電流定理，進行石油化工儀表防雷接地的電磁場分析，在雷擊電磁波的封閉面電磁場的波動方程表示為：

(5)

(6)

依據(jù)非觸發(fā)系統(tǒng)物理控制場的電磁衰減性，有:

(7)

(8)

(9)

將某一個場E，H作如下代換：

(10)

在球面電磁波的雷擊電磁場中得到了另一個場，也滿足于麥克斯韋方程組，通過對石油化工儀表防雷接地分析，球面電磁波近似為平面波來對待，以此為原理進行防雷接地系統(tǒng)電路設計。

2.2 石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設計總體構(gòu)架

根據(jù)上述原理分析，得到石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的主要參數(shù)有：靈敏度(動作電壓)，通頻帶及交流放大量等，石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的基本特性滿足：頻率特性、振幅特性和時間特性[6]。頻率特性由石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的濾波器的頻率響應所決定，由放大器的動態(tài)范圍決定振幅特性，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，要求石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)有更大的動態(tài)范圍，防雷接地系統(tǒng)的時間特性反映了對不同形式的雷擊信號電磁場的時滯性能。石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設計思想描述為：對起伏的電磁信號進行放大、選頻和自動增益處理，輸入信號幅度≥100 μV，石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的放大器總體放大倍數(shù)應該大于50 000倍。由于石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的有效信號頻率范圍為100～2 000 Hz，所以本接收機內(nèi)部濾波器的通頻帶應設計為100～2 000 Hz。采用兩級放大器，每級放大器放大為100多倍，又由于輸入信號起伏比較大，因此,要求對雷擊電磁波的有效信號頻率濾波范圍為100～2 000 Hz，所以輸出信號就很可能超出5 V的范圍，所以很有必要在高通濾波器幅頻電路中加入動態(tài)范圍≥25 dB 的AGC。由于石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的有效信號頻率范圍為100～2 000 Hz，因此要求本文設計的防雷接地系統(tǒng)的高通濾波器幅頻響應曲線滿足圖1所示的幅值要求，低通濾波器幅頻響應曲線滿足圖2所示的幅值要求。

圖1 防雷接地系統(tǒng)的高通濾波器幅頻響應

圖2 防雷接地系統(tǒng)的低通濾波器幅頻響應

根據(jù)設計要求，本文進行設計的防雷接地系統(tǒng)的硬件模塊化設計。

3 系統(tǒng)的電路設計與實現(xiàn)

在上述進行系統(tǒng)總體設計和原理分析的基礎上，提出一種基于漏感和勵磁電感增益分配和檢波控制的防雷接地系統(tǒng)設計方法，進行防雷接地系統(tǒng)的硬件設計，以雙運放LM358放大器為核心進行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)電路設計，主要包括交流放大器設計、濾波器設計、檢波器設計和直流放大器設計，基于MAX3491DSP芯片進行防雷接地系統(tǒng)的主控設計，石油化工防雷擊接地保護系統(tǒng)的收發(fā)轉(zhuǎn)換復位電路是實現(xiàn)匹配后大功率發(fā)射雷擊信號源級的功能模塊，采用ADI公司的ADM706芯片精確控制雷擊接地保護系統(tǒng)的輸出電壓在3.3 V，選用PCI9054作為運算放大裝置，引導ROM配置16位或者24位地址尋址，結(jié)合AD/DA轉(zhuǎn)換器經(jīng)24倍頻進行數(shù)模轉(zhuǎn)換[7-8]，采用經(jīng)典的運算放大器電路進行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的交流放大器設計，計算交流放大器的放大倍數(shù)A2為:

(11)

設計A1=400，實測A1=378。以C1,C2,C3為隔直流電容，得到石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的流放大電路如圖3所示。

圖3 石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的交流放大電路

設計的石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的有效頻率范圍為100～2 000Hz，因此在防雷接地系統(tǒng)的交流放大電路設計的基礎上，需要兩個8階的帶通濾波器級連續(xù)進行濾波電路設計，采用CMOS工藝制造的雙列直插式開關電容低通濾波器，設計一組七階橢圓函數(shù)低通濾波器，設計的濾波器電路的阻帶衰減> 51dB(當f>1.3fC 時)，在fcp= 3.579 5MHz時, 若選擇D5～D0= 110010，帶寬BW=1.06fc= 3 392Hz，通過計算全部low-Vt單元最大功率，進行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)高通濾波，采用開關電容濾波器芯片S3528作為當D5～D0=110010 即 32時 , 確定S3529的D5D4D3D2D1D0=000001，濾波器的截止頻率fc= 2 905Hz，根據(jù)上述設計，得到石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的

濾波器電路設計如圖4所示。

圖4 濾波器電路設計

檢波器設計中采用一個8階高通濾波器進行級聯(lián)，組成一個高通檢波電路，實現(xiàn)對石油化工儀表防雷接地的檢波設計[9]，用普通的二極管檢波電路實現(xiàn)檢波,采用本機振蕩幅度調(diào)制方法實現(xiàn)防雷擊接地保護耦合控制，由D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號在(0～4.095V)之間，依據(jù)洛倫茲法則，構(gòu)建防雷擊接地保護電力控制功率放大器，確定輸入范圍為4V，假設防雷擊接地保護電路中的繞組為kf，采用“SS”型補償電磁耦合補償，由此構(gòu)建防雷接地系統(tǒng)的檢波電路如圖5所示。

在檢波電路設計的基礎上，進行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的直流放大器設計，防雷擊接地保護通過PCB連接成一個集成統(tǒng)一的整體，直流放大器采用UCC3895移相全橋PWM控制，通過CPLD產(chǎn)生DSP中斷，直流放大的等效電路各部分阻抗[10-11]分別為：

(12)

(13)

(14)

圖5 石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)的檢波電路設計

圖6 防雷擊接地系統(tǒng)的直流放大模塊電路設計

最后進行整個系統(tǒng)的集成電路設計，從原理圖轉(zhuǎn)換到PCB圖，得到防雷擊接地系統(tǒng)的功能電路設計結(jié)果如圖7所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試實驗分析

為了驗證本文設計的石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)在實驗防雷接地防護中的應用性能，進行系統(tǒng)調(diào)試分析，當輸入雷擊信號Vi在100kV，頻率可變的正弦波，得到接地系統(tǒng)的輸入與輸出波形如圖8所示。

圖8 防雷接地系統(tǒng)電壓的輸入輸出波形

通過計算得到石油化工儀表的防雷擊接地截止頻率fl=87Hz、衰減特性為21dB，輸出接地電壓的峰值V0pp1以及Vopp1/Vipp1的測試數(shù)據(jù)結(jié)果描述見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)

分析上述結(jié)果得知，檢波電路的輸出電壓Vo為零，對應于二極管D1的導通狀態(tài)，在VA由零變D2的導通電壓VD2期間，二極管導通電壓對檢波特性產(chǎn)生增益控制影響，防雷的阻帶衰減大于51dB，使得頻率在800Hz以上的信號都被濾除，對雷擊信號具有較好的高通濾波和低通濾波性能，從而對石油化工儀表防雷具有較好的保護作用。

4 結(jié)束語

本文進行防雷接地系統(tǒng)的優(yōu)化設計，提出一種基于漏感和勵磁電感增益分配和檢波控制的防雷接地系統(tǒng)設計方法，基于麥克斯韋全電流定理，進行石油化工儀表防雷接地的電磁場分析，以雙運放LM358放大器為核心進行石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)電路設計，系統(tǒng)硬件電路設計中主要包括交流放大器設計、濾波器設計、檢波器設計和直流放大器設計，測試結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進行石油化工儀表防雷接地設計，具有較好的高通濾波和低通濾波性能，測試結(jié)果滿足設計的技術(shù)指標，對石油化工儀表具有較好的防雷擊保護能力。

[1] 黃 朝,許 鑫,劉敦歌,等.基于多傳感器的微弱磁異常信號提取方法研究[J].電子測量技術(shù),2015,38(10):91-95.

[2] 陳啟宏,伊小素,王 明,等.基于AMBA總線的SpaceWire控制模塊IP核設計[J].電子測量技術(shù),2016,39(3):80-84.

[3] 杜志廣,顏樹華,林存寶,等.雙路信號相位同步測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].激光技術(shù),2016,40(3):315-319.

[4]Moreno-SalinasD,PascoalAM,ArandaJ.Optimalsensorplacementformultipletargetpositioningwithrange-onlymeasurementsintwo-dimensionalscenarios[J].Sensors,2013,13(8):10674-10710.

[5] 何其銳,李立萍.減小聲光頻譜儀頻率測量方差算法研究[J].紅外與激光工程,2015,44(5):1564-1568.

[6] 梁國龍,韓 博,范 展.近場自適應波束形成的零陷展寬方法[J].華中科技大學學報(自然科學版),2013,41(8):34-39.

[7] 夏光輝,秦建軍,王大成.基于FPGA的雙CF卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,2016,6(4):19-21.

[8] 郭素敏,徐克寶,蘇春建,等.通用數(shù)字電路板自動測試系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2014,22(7):2040-2042.

[9] 高建鋒, 趙秀輝. 化工行業(yè)儀表系統(tǒng)防雷接地的研究[J]. 科學與財富, 2015,9(10):314-318.

[10] 王 洋. 石油化工儀表系統(tǒng)防雷接地系統(tǒng)工程設計剖析[J]. 工程技術(shù):文摘版, 2016，6(3): 260-262.

[11] 任海波. 天然氣處理廠儀表自控系統(tǒng)防雷接地分析[J]. 電子制作, 2013，10(4):148-151.

Design and Implementation of Mine Grounding System in Petrochemical Industry

Wang Bing

(Polypropylene plant Control workshop，PetroChina Daqing Refining&Petrochemical Company,Daqing 163000,China)

In order to improve the lightning protection safety of petrochemical instrument,the design of lightning proof grounding system,This paper proposes a leakage protection and excitation inductance of the gain distribution and the detection control method of grounding system design method,the current Maxwell theorem based on the analysis of electromagnetic field of petrochemical instrument,lightning protection and grounding,double operational amplifier LM358 amplifier as the core of Petrochemical Instrument lightning protection grounding system circuit design,including the design,filter design,AC amplifier the design of detector and DC amplifier design,using 8 order high pass filter in the receiver design(S3529)in parallel,improve the lightning protection and grounding system output amplifier performance,the system debugging and circuit testing,the results show that the design of petrochemical instrument grounding lightning protection in the system,the stopband attenuation greater than 51 dB,with the high pass filter and low-pass filter,better performance of the lightning signal,to better protect the safety of Petrochemical Instrument.

petrochemical industry;instrument;lightning protection and grounding system;filter;detector

2016-11-22；

2016-12-10。

王 兵(1970-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，工程師，主要從事儀器儀表及石油化工自動化、自動控制方向的研究。

1671-4598(2017)02-0213-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.058

TN710

A