楊紹軍

(國(guó)家能源集團(tuán)神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)在現(xiàn)代煤化工企業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展，儀表監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱儀表系統(tǒng))在煤化工企業(yè)的重要性不斷提高。煤制烯烴項(xiàng)目的儀表系統(tǒng)具有設(shè)備多、安裝地域廣、輸入/輸出接口多、傳輸電纜多且長(zhǎng)等特點(diǎn)，其工作環(huán)境中會(huì)有各種各樣的噪聲，而噪聲又會(huì)通過(guò)各種耦合途徑干擾儀表系統(tǒng)的正常工作。

提高儀表系統(tǒng)的抗干擾能力，也就是提高儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，這是煤化工企業(yè)安全平穩(wěn)生產(chǎn)的重要保障。要提高儀表系統(tǒng)的抗干擾能力，除了在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)考慮各種抗干擾措施外，更重要的是改進(jìn)實(shí)際應(yīng)用中的抗干擾技術(shù)。本文主要介紹了儀表抗干擾技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的幾種解決方案。

1 項(xiàng)目概況

煤制烯烴項(xiàng)目是以煤為原料，通過(guò)煤氣化制甲醇、甲醇轉(zhuǎn)化制烯烴、烯烴聚合生產(chǎn)聚烯烴產(chǎn)品的特大型煤化工項(xiàng)目。工廠包括甲醇、烯烴、熱電和公用工程等四個(gè)主要生產(chǎn)中心。其中，甲醇中心包括氣化、凈化、合成、硫磺回收和甲醇罐區(qū)這五套生產(chǎn)裝置，烯烴中心包括甲醇制低碳烯烴(methanol to olefins， MTO)、烯烴分離、聚丙烯、聚乙烯、混合C4、烯烴罐區(qū)這六套生產(chǎn)裝置，熱電中心包括鍋爐、汽輪機(jī)、化學(xué)水、脫硫脫銷、卸儲(chǔ)煤這五套生產(chǎn)裝置，公用工程中心包括凈水、循環(huán)水、污水、火炬、裝卸棧臺(tái)這五套生產(chǎn)裝置。MTO是該項(xiàng)目的核心裝置，是傳統(tǒng)煤化工與石油化工結(jié)合的“橋梁”[1]。

2 儀表監(jiān)控系統(tǒng)存在的干擾問(wèn)題

2.1 MTO和烯烴分離裝置存在的儀表干擾問(wèn)題

MTO和烯烴分離裝置的分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)采用的是霍尼韋爾公司的過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)(experion process knowledge system，EPKS) 。近年來(lái)，MTO和烯烴分離裝置的DCS在裝置正常運(yùn)行時(shí)，多次出現(xiàn)因短時(shí)間內(nèi)控制器主從切換不暢而導(dǎo)致的控制器運(yùn)行異常，造成了所有操作站的數(shù)據(jù)顯示中斷事故。

2.1.1 DCS控制器運(yùn)行異常情況檢查

通過(guò)查詢MTO和烯烴分離裝置DCS的系統(tǒng)報(bào)警事件記錄，可以看到每次在控制器運(yùn)行異常時(shí)，都會(huì)有多個(gè)控制器出現(xiàn)容錯(cuò)以太網(wǎng)(fault tolerant ethernet， FTE) A/B接收故障。

2.1.2 DCS控制器運(yùn)行異常原因分析

每次控制器出現(xiàn)異常后，儀表技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查分析時(shí)，系統(tǒng)都已自動(dòng)恢復(fù)正常了。這對(duì)儀表人員分析故障原因很不利。

儀表技術(shù)人員經(jīng)過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的認(rèn)真檢查和多次原因分析后，基本排除了控制系統(tǒng)本身存在問(wèn)題的可能性，一致認(rèn)為DCS操作站數(shù)據(jù)中斷是由于較強(qiáng)的外部干擾造成的。在2014年7月再次出現(xiàn)類似故障時(shí)，經(jīng)與操作人員進(jìn)一步溝通，得知當(dāng)時(shí)在MTO裝置現(xiàn)場(chǎng)有焊接作業(yè)。工作人員至現(xiàn)場(chǎng)查看后，發(fā)現(xiàn)焊工將焊機(jī)的地線搭接在儀表電纜橋架上。

在儀表接地系統(tǒng)不完善的情況下，會(huì)把強(qiáng)的干擾信號(hào)引入DCS中，造成控制系統(tǒng)工作異常。依據(jù)儀表接地規(guī)范，對(duì)這兩個(gè)裝置儀表接地系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在接地線不規(guī)范、接地線截面規(guī)格配置不科學(xué)等諸多問(wèn)題。由此可以判斷出，焊機(jī)作業(yè)時(shí)通過(guò)儀表電纜橋架和儀表接地系統(tǒng)把較強(qiáng)的干擾信號(hào)引入到了DCS系統(tǒng)，是造成MTO和烯烴分離裝置DCS系統(tǒng)多次出現(xiàn)操作站顯示數(shù)據(jù)中斷的直接原因。

2.2 全廠儀表系統(tǒng)在抗干擾方面存在的問(wèn)題

儀表系統(tǒng)的抗干擾方法一般包括完善的儀表接地、抗高頻干擾、電源和信號(hào)的隔離和濾波控制室屏蔽以及控制室靜電防護(hù)等[2]。本文主要研究前三種抗干擾方法的實(shí)施方案。

2.2.1 儀表工作接地的問(wèn)題

科學(xué)、合理的接地是儀表系統(tǒng)抑制干擾的有效手段之一。儀表的工作接地包括信號(hào)回路接地和屏蔽接地[3]。針對(duì)MTO和烯烴分離裝置出現(xiàn)的強(qiáng)干擾問(wèn)題，依據(jù)干擾源的干擾機(jī)理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)全廠儀表系統(tǒng)的接地情況進(jìn)行徹底的排查，共查出以下五類問(wèn)題。

①接地不規(guī)范問(wèn)題。

接地不規(guī)范問(wèn)題如下：部分接地系統(tǒng)的接地導(dǎo)線規(guī)格不符合要求；部分接地導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)；接地線、接地分干線、接地干線和接地總干線的截面規(guī)格分配不科學(xué)，不是逐級(jí)增大，甚至有顛倒配置的情況；部分接地匯流排、接地匯總板的規(guī)格不符合要求；工作接地匯流排的絕緣支架損壞；工作接地與保護(hù)接地在總接地板前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全絕緣；儀表及柜內(nèi)的保護(hù)接地、工作接地使用同一個(gè)匯流排；現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立設(shè)置的儀表柜內(nèi)保護(hù)接地與工作接地匯總后，沒(méi)有按要求接到全廠的等電位接地網(wǎng)上；個(gè)別需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接地的儀表設(shè)備(如接地型熱電偶、PH計(jì)、電磁流量計(jì)等)，接地點(diǎn)不符合要求[4]；控制系統(tǒng)的24 V直流電源的負(fù)極存在不接地的情況。

②儀表電纜屏蔽問(wèn)題。

儀表電纜屏蔽問(wèn)題如下：個(gè)別儀表屏蔽電纜因屏蔽結(jié)構(gòu)不符合相關(guān)要求，屏蔽效果差；個(gè)別儀表測(cè)量回路的屏蔽層存在非單點(diǎn)接地的情況；儀表接線箱內(nèi)的電纜屏蔽層沒(méi)有在箱內(nèi)進(jìn)行跨接，甚至有的儀表回路從儀表接線箱到現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備連接的電纜沒(méi)有進(jìn)行屏蔽；在控制室側(cè)接地的屏蔽電纜的接地存在“豬尾巴效應(yīng)”[5]；需要在現(xiàn)場(chǎng)側(cè)對(duì)信號(hào)電纜屏蔽層進(jìn)行接地的儀表，實(shí)際上是在控制室側(cè)接地的。

③電纜敷設(shè)問(wèn)題。

電纜敷設(shè)問(wèn)題如下：儀表信號(hào)電纜與電源電纜敷設(shè)在同一根電纜保護(hù)管中；儀表信號(hào)電纜橋架與電氣專業(yè)的電力電纜橋架平行敷設(shè)的間距不符合要求；電纜布線的路徑不合理，靠近電磁干擾源的設(shè)備。

④接地連接電阻問(wèn)題。

接地連接電阻問(wèn)題如下：個(gè)別接地點(diǎn)的接地連接松動(dòng)；接地連接點(diǎn)銹蝕；未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)(safety instrument system，SIS)的漏地檢測(cè)器有報(bào)警信號(hào)。

⑤儀表電源問(wèn)題。

儀表電源問(wèn)題如下：儀表電源系統(tǒng)的零線(N)與保護(hù)零線(PE)未分開(kāi)[6]。

2.2.2 儀表抗高頻干擾方面存在的問(wèn)題

依據(jù)干擾源耦合機(jī)理，電容性耦合可以通過(guò)對(duì)儀表電纜屏蔽層單端接地進(jìn)行有效抑制。對(duì)于電感性耦合、電磁場(chǎng)耦合，則要根據(jù)噪聲源的頻率確定有效的抑制手段。當(dāng)干擾源頻率低于五倍的電纜截止頻率時(shí)，相應(yīng)的電纜屏蔽層應(yīng)進(jìn)行單端接地；當(dāng)干擾源頻率大于等于五倍的電纜截止頻率時(shí)，相應(yīng)的電纜應(yīng)進(jìn)行兩端或多點(diǎn)接地。

一般情況下，電纜屏蔽層單端接地可以有效防范低頻干擾，電纜屏蔽層兩端或多點(diǎn)接地可以有效防范高頻干擾。

現(xiàn)場(chǎng)儀表在防高頻干擾方面存在以下問(wèn)題。

①儀表電纜敷設(shè)路徑不科學(xué)。

②部分儀表電纜沒(méi)有進(jìn)行全程屏蔽。

③電纜屏蔽層沒(méi)有實(shí)現(xiàn)兩端或多點(diǎn)接地，或相應(yīng)的接地點(diǎn)未與全廠的等電位接地網(wǎng)進(jìn)行可靠的電氣連接。

④電纜的內(nèi)層屏蔽和外層屏蔽沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全隔離，電纜屏蔽層屏蔽單絲直徑或屏蔽率不符合相關(guān)規(guī)定要求。

⑤電纜橋架與儀表電纜鍍鋅穿線管之間、儀表電纜鍍鋅穿線管與防爆撓性管之間，以及防爆撓性管與儀表外殼之間沒(méi)有實(shí)現(xiàn)可靠的電氣連接。

2.2.3 隔離和濾波方面存在的問(wèn)題

通過(guò)儀表電源、信號(hào)線，將信號(hào)源、電源里夾帶的噪聲干擾直接傳導(dǎo)給儀表電路的耦合方式，稱為導(dǎo)線的直接傳導(dǎo)耦合。這種耦合干擾是常見(jiàn)的干擾方式。

儀表系統(tǒng)在防止這種干擾方面，主要存在以下問(wèn)題。

①儀表電源質(zhì)量不高。

②信號(hào)回路抗干擾措施不完善。

③易受控制回路中變頻器等設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波的干擾。

3 儀表系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

噪聲通常是無(wú)法完全消除的。只要盡量減小噪聲，使它不再對(duì)儀表系統(tǒng)形成干擾，就可以達(dá)到抗干擾的目的。針對(duì)MTO和烯烴分離裝置DCS系統(tǒng)出現(xiàn)的強(qiáng)干擾問(wèn)題，以及現(xiàn)場(chǎng)排查出的其他抗干擾方面存在的問(wèn)題，依據(jù)干擾耦合機(jī)理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，采取切實(shí)可行的抗干擾技術(shù)來(lái)解決儀表系統(tǒng)的干擾問(wèn)題。

3.1 完善儀表工作接地系統(tǒng)

3.1.1 完善的接地技術(shù)

完善的接地技術(shù)包括：按要求更換符合要求的接地線、接地匯流排、接地匯總板；確保接地匯流排、匯總板等的絕緣支架完好；確保工作接地與保護(hù)接地在總接地板前實(shí)現(xiàn)完全絕緣；確保所有接地連線在接到接地匯流排、匯總板前絕緣良好；確保儀表所有的接地點(diǎn)與全廠等電位接地網(wǎng)已進(jìn)行了可靠的電氣連接；確保現(xiàn)場(chǎng)儀表沒(méi)有利用輸送或儲(chǔ)存可燃性物料的設(shè)備或管線作為接地點(diǎn)；確保非浮空設(shè)計(jì)的24 V直流電源的負(fù)極可靠接地。

3.1.2 電纜屏蔽技術(shù)

電纜屏蔽技術(shù)包括：在條件允許的情況下，替換屏蔽效果不好的電纜；確保電纜內(nèi)層屏蔽層在機(jī)柜間內(nèi)可靠接地[7],對(duì)于要求必須在現(xiàn)場(chǎng)接地的儀表，電纜屏蔽層僅在現(xiàn)場(chǎng)接地；保證從機(jī)柜間到現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的電纜屏蔽的電氣連續(xù)性和非接地點(diǎn)的對(duì)地絕緣性；盡量縮短機(jī)柜間內(nèi)電纜伸出屏蔽層的長(zhǎng)度；當(dāng)屏蔽電纜途徑接線盒分?jǐn)嗷蚝喜r(shí)，應(yīng)在接線盒內(nèi)將其兩端電纜的屏蔽層連接[8]。

3.1.3 電纜敷設(shè)技術(shù)

電纜敷設(shè)技術(shù)包括：確?？刂葡到y(tǒng)電纜敷設(shè)遠(yuǎn)離強(qiáng)電區(qū)、強(qiáng)磁設(shè)備，路徑合理[9]；儀表信號(hào)電纜不與電源電纜共用一個(gè)電纜保護(hù)管；儀表電纜橋架與電氣電纜橋架應(yīng)盡量交叉敷設(shè)，無(wú)法避免平行敷設(shè)時(shí)，兩者的間距應(yīng)符合儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求。

3.1.4 科學(xué)的接地連接

科學(xué)的接地連接包括：檢查各接地點(diǎn)的接線情況，確保接地牢固、可靠，接地連接電阻小于等于1 Ω；檢查系統(tǒng)的漏地檢測(cè)器是否有報(bào)警，如果有報(bào)警，應(yīng)及時(shí)采取措施予以消除。

3.1.5 規(guī)范的儀表電源

規(guī)范的儀表電源包括：確保儀表交流電源采用TN-S系統(tǒng)，保證N線與PE線除了在變壓器中性點(diǎn)共同接地外，兩線不再有任何電氣連接。供電電纜的敷設(shè)應(yīng)選擇最短路徑，減少串入線路的干擾[10]。

3.2 儀表抗高頻干擾技術(shù)

儀表系統(tǒng)的高頻干擾源有很多，一般包括開(kāi)關(guān)電源、變頻器以及自然界中的雷電，其中以雷電產(chǎn)生的干擾對(duì)儀表系統(tǒng)的影響最大。雷電干擾包括電容性耦合、電感性耦合和電磁場(chǎng)耦合。對(duì)于防雷電干擾，既要考慮防電容性耦合的單端接地措施，又要考慮防高頻電感性耦合、電磁場(chǎng)耦合的兩端或多點(diǎn)接地措施。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)電纜長(zhǎng)度小于等于20 m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行兩端接地；當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于20 m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)重復(fù)接地[11]。

3.2.1 屏蔽接地技術(shù)

采用雙層屏蔽分別接地的措施，內(nèi)層屏蔽層單端接地，外層屏蔽層兩端或多點(diǎn)接地，所有接地線都與全廠等電位接地網(wǎng)進(jìn)行可靠的電氣連接，以確保內(nèi)、外屏蔽層相互絕緣且分別具有電氣連續(xù)性，而電纜完全處于屏蔽層的保護(hù)之內(nèi)。雙層屏蔽電纜的外屏蔽層可采用以下方法實(shí)現(xiàn)。

①分屏加總屏電纜的總屏蔽層。

②金屬鎧裝電纜的金屬鎧裝層。

③敷設(shè)電纜的金屬電纜槽、金屬保護(hù)管。

④鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電纜溝等。

3.2.2 合理布線

①減少敷設(shè)電纜的感應(yīng)環(huán)路面積。

②敷設(shè)的電纜盡量遠(yuǎn)離高頻干擾源頭設(shè)備以及防雷引下線。

3.2.3 配備浪涌保護(hù)器

針對(duì)重要裝置區(qū)內(nèi)的儀表電源、信號(hào)回路，應(yīng)該在主電路空氣開(kāi)關(guān)和熔斷器的負(fù)荷側(cè)采用共模接法，在三根相線和PE線之間，各自安裝一個(gè)過(guò)流保護(hù)器和一個(gè)浪涌保護(hù)器(surge protection device,SPD)，在N線和PE線之間安裝一個(gè)SPD。另外，當(dāng)室外敷設(shè)的電纜長(zhǎng)度大于50 m時(shí)，應(yīng)該在線路兩側(cè)裝設(shè)SPD。

3.3 隔離和濾波技術(shù)

3.3.1 電源的屏蔽、濾波及隔離

非不間斷電源供電的儀表電源應(yīng)采用合格的隔離變壓器，同時(shí)要求選用的開(kāi)關(guān)電源的整流二極管反向恢復(fù)時(shí)間要短，以便減小開(kāi)關(guān)電源的輸出噪聲；另外，開(kāi)關(guān)電源本身應(yīng)該進(jìn)行屏蔽接地，電源線要合理布線，以減少線路分布電容的不一致性。

3.3.2 信號(hào)的濾波和隔離

無(wú)論是模擬信號(hào)，還是數(shù)字信號(hào)，都應(yīng)該進(jìn)行有效的濾波，這是避免導(dǎo)線直接傳導(dǎo)噪聲的常用方法。解決干擾問(wèn)題的更有效辦法是對(duì)信號(hào)傳輸進(jìn)行隔離。

3.3.3 抑制高次諧波

抑制高次諧波的干擾可以選用不產(chǎn)生高次諧波的變頻器，也可以采用具有光電隔離功能的輸出卡隔離變頻器產(chǎn)生的高次諧波，還可以在變頻器的給定輸入信號(hào)端并接一個(gè)電容器來(lái)濾除高次諧波。

4 結(jié)束語(yǔ)

儀表系統(tǒng)的干擾問(wèn)題十分復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)造成的影響非常大，所以儀表抗干擾技術(shù)的研究和應(yīng)用就顯得尤為重要。在采用科學(xué)、合理的抗干擾技術(shù)對(duì)排查出來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行整改，并通過(guò)完善相關(guān)規(guī)章制度規(guī)范裝置區(qū)域內(nèi)的施工作業(yè)后，沒(méi)有再出現(xiàn)因干擾造成儀表系統(tǒng)工作異常的情況，確保了煤制烯烴項(xiàng)目各裝置的安全、平穩(wěn)、高效生產(chǎn)。

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