DCS 抗干扰技术与安全可靠性分析

顾德东，管洪强

(深能合和电力有限公司，广东河源517025)

现代火电厂的生产过程正在向着大型化、连续化和自动化方向发展，如何保证分散控制系统稳定和安全运行就显得至关重要。随着分散控制系统集成化程度不断地提高，控制系统所使用的测量仪表、输入和输出设备日渐增多。分散控制系统所要处理的信号电压类型更为复杂多样，线路所传递的信号电流也越来越小。抗干扰能力已经直接关系到分散控制系统能否可靠运行，而分散控制系统的可靠性又直接影响到火力发电机组的安全和稳定运行，因此必须采取有效措施提高分散控制系统的抗干扰能力和可靠性。

1 干扰的主要来源

干扰的来源有很多种，可能来自外部环境，也可能来自内部的电子元件。对于火力发电厂分散控制系统，其干扰源主要包括以下三种。

1.1 电源的干扰

分散控制系统的电源一般取自厂用电系统。电厂中大型电力设备的启停、负载电流的快速变化等都会产生谐波、暂态冲击等干扰，可能会导致分散控制系统的逻辑电路误动作，影响其正常工作。

1.2 信号传输通道的干扰

因为计算机所能处理的信号为数字量，所以从生产现场设备中采集的数据信号需要经过大量的数字量输入输出通道和模拟量输入输出通道。从生产现场架设电缆到控制室，电缆长度都在百米之上，这些通道在完成数据传输和转换的同时，不可避免地将干扰引进了系统。

1.3 各类电磁干扰

电气设备的启停瞬间、雷电、无线电通信信号、雷达、变频设备所产生的电磁辐射均会对电子设备、传输通道和系统硬件设备的性能带来不良的影响。

2 硬件系统的可靠性和抗干扰措施

从分散控制系统的硬件方面加强抗干扰能力，主要措施有消除干扰源和切断传播途径。

2.1 稳定的工作电源

分散控制系统采用的供电电源一般隔离性能较好，耦合进入的干扰也很小。对分散控制系统造成干扰的因素主要是变送器的供电电源和与分散控制系统有直接电气连接的仪表的供电电源。由于此类电源的隔离变压器分布参数大，抗干扰能力差，容易将电源干扰通过信号传输途径引进分散控制系统。不间断电源是分散控制系统常用的一种电源，它能够将交流电转换为直流电，并用蓄电池储存起来。使用时，通过逆变器为计算机可靠供电。此种交直流转换技术，使得分散控制系统中的设备具有很强的抗电网干扰能力。因此，可以采用不间断电源对电子计算机、测量变送器和公用仪表系统进行供电。

2.2 抑制信号传输通道的干扰

火电厂分散控制系统中，接地是抑制干扰的主要措施之一。在设计和施工中，如果能够将系统接地与信号电缆屏蔽有机地结合起来使用，使得干扰信号的传输通道被切断，则可解决大部分干扰问题。

2.2.1 信号电缆屏蔽层接地

对于需要远距离传输的信号，可以选用屏蔽线、同轴电缆和屏蔽双绞线等。屏蔽接地能够使屏蔽层上的感应电流、电压和静电电荷通向大地，起到很好的抗电磁干扰效果。当信号电缆中间有接头时，两条电缆的屏蔽层在接头处应妥善连接，并将屏蔽层裸露部分用绝缘胶带包好，以防多点接地。必须注意的是，分散控制系统中的信号电缆屏蔽层必须在计算机侧一点接地，如图1所示。如果电缆屏蔽层两端都接地，当发生异常状态，如雷击时，就存在地电位差，两点间将有大电流通过。

图1 控制电缆在机柜侧接地

图2 现场安装的信号隔离器

2.2.2 设备安全地的连接

安全地指的是设备的金属外壳与大地相连的接地线。安全地可以防止电荷积累，电压升高或者是系统本身绝缘破坏对人员造成伤害。由于信号线走线槽或电缆管，在雷雨多发季节里，因雷击所造成的干扰可能沿槽架进入控制系统。某厂化学水处理控制系统的数据采集卡件曾多次因雷击而损害，导致控制系统通讯中断。针对雷击电流的干扰，可采取多项措施相结合的方式处理。首先，将电缆槽架使用焊接铜棒多点接地，尽量使雷击电流能够被快速引导至大地。其次，信号传输电缆的屏蔽层在计算机侧单点接地，避免形成干扰电流通道。再次，在信号传输线路中安装信号隔离器，如图2所示。一旦发生雷击，信号隔离器将承受大部分的强电流影响，从而保护了更为重要的控制器免遭雷击损坏。

2.3 信号输入端硬件滤波

火电厂中所使用的电缆数量大，分布广，虽然各动力电缆和控制电缆按照分层布置的原则铺设，但是仍然难免大型电力设备启停时的强烈电磁对信号传输造成的干扰。某厂曾发生模拟量控制系统多个温度测点跳变的情况，通过使用示波器观察传输信号可以发现直流信号中叠加了较强的交流分量。在生产现场不存在动力电缆和控制电缆交叉铺设的情况下，一般认为造成温度信号波动的原因可能是电缆某处绝缘受损，使信号传输过程中引入了交流分量。为去除杂散电流干扰，可以在温度测点端口并联安装电容滤波装置(如图3所示)。因为电容具有阻直流、通交流的特性，所以并不会对原模拟量输入端口造成影响。通过比较，安装电容的测点比未安装电容的测点抗干扰能力更强，温度信号测量结果更加稳定(如图4所示)。这项措施不仅消除了干扰影响，同时有效地防止了分散控制系统的数据采集卡件因窜入交流电流而损坏。

图3 安装在模拟量输入端口的电容

图4 安装电容后温度测量稳定

3 软件系统的可靠性和抗干扰技术

所谓软件抗干扰技术，就是通过程序对现场检测信号进行处理，以排除干扰对控制系统的影响。常用的软件系统抗干扰措施采用数字滤波。数字滤波是通过一定的数学算法从数据序列中提取逼近真值数据的一种软件方法。

3.1 限幅滤波

某厂凝结水泵、汽动给水泵及其前置泵、开式水泵、闭式水泵的轴承温度测点多次发生跳变的情况。通过在温度测量逻辑中加入速率限制和差值限制，同时保留原来高限跳泵保护(如图5所示)，取得了良好的切除干扰的效果。其基本思想是通过速率限制功能块作用，将相邻的n和n+1时刻两个采样值Y(n)和Y(n+1)值相减。如果差值过大，超出了参数允许的最大限值，则认为发生了随机干扰，逻辑利用SR触发器记录此情况，并自动退出跳泵保护，通过报警提示运行人员加强监视，从而避免温度保护误动作而引起的水泵跳闸。

图5 整改后的温度跳闸保护控制逻辑

3.2 中值滤波

中值滤波能够有效地克服因偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等造成的脉冲干扰，适用于变化缓慢的参数测量。典型应用就是模拟量控制系统进行测量值三选中的逻辑功能(如图6所示)。

图6 测量结果三选中逻辑

TSTQ模块的作用:当信号发生坏质量情况时，该模块能够产生正脉冲。T模块的作用:根据使能端状态，自动选择输出值等于输入值1或者是输入值2。在上述逻辑图中，当第一个通道的TSTQ模块检测到此信号坏质量后，输出由原来输出“0”变为“1”，此布尔量作用在T模块的使能端，则T模块输出值由原来的1变为2，使输出结果变为去除坏质量信号后，其余两个正常信号的算术平均值，从而达到消除干扰的目的。经过处理的三个测量信号两两进行取大值比较后再进行取小选择值，就能够完成测量值三选中的逻辑功能。

3.3 算术平均滤波

基本原理是通过对某点数据进行多次测量，取其平均值作为该点的结果(如图7所示)。某厂省煤器出口给水压力有两个测量值，在分散控制系统逻辑中进行了加权相加，设定每个测量值的权重是0.5，相当于取两数的平均值作为省煤器出口给水压力。此措施不仅能够减少周期性干扰对采样结果的影响，而且对随机干扰的信号具有显著的滤波效果。当一个测量值出现较大波动时，还能将其权重设为0，另一个测量值权重设为1。故障情况下，仍然能够临时提供过程测量数据，保证分散控制系统的自动投入和连续运行。

图7 省煤器出口压力选择逻辑

4 总结

由于发电厂设备众多且启停频繁，由此造成的干扰不仅种类多，而且传播方式和途径都不尽相同。长期以来，这些干扰对分散控制系统数据采集、信号处理造成了极大的影响，严重的情况会导致机组跳闸保护动作，电力生产的中断。在实际检修工作中，从仪表选型、电缆屏蔽、数字滤波等硬件和软件设计方面对分散控制系统抗干扰问题给予充分的考虑，在可能引入干扰的回路，设置各种数字滤波和隔离措施，有效防止干扰引起分散控制系统误动作或设备损坏，从而提高系统的抗干扰能力，保证分散控制系统长期安全稳定地运行。

［1］ 张勇明.探讨DCS控制系统的接地问题及防护［J］.硅谷，2011，(1).

［2］ 卢铭庆.控制系统电源设计可靠性分析及改进［J］.江西电力，2005，(6).