探讨DCS控制系统中的抗干扰问题

张子俊 陈雪飞

摘要:随着社会的发展，对能源的需求日益增长，其中，发电厂更是能源的基站，在发电厂工程实施及运行中，必须综合考虑各种控制系统的抗干扰性能，本文结合射阳港发电厂三期工程DCS控制系统安装与调试过程中出现的一些问题和现象，分析了各种干扰因素对发电厂控制系统的影响,并提出与运用了几种有效的抗干扰措施。

关键词:DCS控制系统；抗干扰问题；解决方法

中图分类号： TL503.6 文献标识码： A

前言

发电厂设备众多且相互关联，因此其相互之间干扰不仅种类多，而且传播凡是和途径更是各不相同。在发电厂的运转生产中，长期的干扰会造成严重的信号紊乱，进而影响生产的安全运转，因此必须有效的隔离乃至预防各种干扰，从而来保证系统长期稳定的运行。

1、工程概况

江苏射阳港电厂2х660MW燃煤发电机组工程控制系统采用分散控制系统(DCS),由艾默生控制系统有限公司供货,实现单元机组炉、机、电集中监控,完成单元机组主辅机及热力系统的检测、控制、报警、联锁保护、故障诊断、机组启/停、正常运行操作、事故处理和操作指导等功能。每台机组配置40块模件和扩展柜,2块网络柜,2块电源柜,3块DEH机柜,1块ETS机柜,4块MEH机柜。每台机组配置28只DCS远程I/O智能数据采集前端。公用系统配置4块模件柜,1块电源柜。本工程在设计过程中计算机接地网采用电气地作为计算机接地的方式,控制系统机柜与电源柜接地箱分开设置。控制系统的接地方案遵循一点接地的原则。

2、干扰源对系统的干扰

2.1、来自空间的辐射

干扰一般通过设置屏蔽电缆和局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。2.2来自系统外接线的干扰这种干扰在发电现场较严重。因为发电厂是强电场和强电磁场密集的地方。

2.2.1、来自电源的干扰

电源引入的干扰造成控制系统故障的情况很多,虽然控制电源通常采用隔离电源,实际上,由于分布参数特别是分布电容的存在,绝对隔离是不可能的。

2.2.2、来自信号线引入的干扰

与控制系统连接的各类信号传输线,总会有外部干扰信号侵入。控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重,由此引起系统故障的情况也很多。

2.2.3、来自接地系统混乱的干扰

接地系统混乱对DCS系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均,引起环路电流,影响系统正常工作。

3、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。

3.1、采用性能优良的电源,抑制电网引入的干扰

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，可以采用不问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。

3.2、电缆敷设

与接线不同类型的信号及控制电缆分别由不同电缆传输,信号电缆应按传输信号种类与动力电缆分层敖设,严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号,避免信号线与动力电缆靠近平行敖设,以减少电磁干扰。对于信号电缆及控制电缆都采用了屏蔽电缆,在工程的实际使用过程中收到了不错的效果。屏蔽电缆采用单端接地原则,全线路的屏蔽层应有可靠的电气连续性。

3.3、正确选择接地点,完善接地系统

本工程不设置单独的DCS接地系统,控制系统接地线采用并联一点接地和串联一点接地方式。DCS系统的过程控制柜之间通过接地电缆并联,由各控制机柜处单点接到DCS机柜专用接地箱,然后专用接地箱再通过接地电缆接至电气接地点,接地点半径10米内无大电流、电压启停设备的接地点,要求整个接地线缆至接地点的电阻小于2Ω。使用双路电源时,两个电源最好在同一点接地。

4、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。

4.1、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，将相邻的凡和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。

4.2、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(如图所示)。

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“l”，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l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。

4.3、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(如图所示)。

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l。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。

5、工程调试过程中出现的典型事例及解决方法

在分部调试过程中,送风机动叶位置反馈信号出现失真:控制指令为50％开度,但是位置反馈信号围绕50％上下以较大幅度波动。由于现场送风机动叶调节电动门的位置信号变送器自带电源,电源的接地点A和DCS系统接地点B可能存在电势差,不对称接地在信号回路上产生电流,叠加在4～20mA的模拟信号上,从而导致位置反馈信号波动幅度较大。在信号回路C/D处增加信号隔离器,使干扰回路被断开,信号恢复了正常。本工程两台汽泵前置泵都设置了前置泵跳闸信号,从6KV开关柜送至汽机DCS机柜,发现DCS机柜直流电源系统报警,由于两个汽泵前置泵跳闸信号并接至开关柜控制回路与开关柜和DCS机柜信号回路形成环路,导致DCS机柜直流电源接地,于是将开关柜侧两信号断开并重新选择空端子连接,报警信号消除。

6、结语

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。

参考文献：

[1]张勇明．探讨Dcs控制系统的接地问题及防护[J]．硅谷，201l，(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)．