影响DCS系统信号稳定的问题探讨及对策

马孝贵

（山西晋煤天源化工有限公司，山西 高平 048400）

煤化工生产中集散控制系统（DCS）的稳定性对化工厂的安全稳定运行起着至关重要的作用。DCS 的控制功能涵盖了化工厂的模拟量控制系统、开关量逻辑系统、顺序控制系统、复杂调节系统和外围的辅控系统等，系统各环节信号的稳定运行及抗干扰措施是否合理到位，直接影响系统的可靠运行，甚至会造成生产装置的安全事故。为此，控制系统各个环节信号的稳定运行及抗干扰措施的科学合理设计和实施显得尤为重要。

本文针对某公司由于离心压缩机组本特利3500 轴位移及轴振动信号受干扰，造成离心压缩机组停车[1]；西门子PCS7-400DCS 控制系统重要模拟量信号受干扰，造成净化和合成工段非正常停车两起事件，分析了西门子PCS7-400DCS 系统干扰信号产生的原因，提出了离心机组3500轴振动位移监测系统与西门子PCS7-400DCS 控制系统信号稳定运行的对策并予以实施。

1 事件原因过程检查

1.1 离心压缩机轴振动及轴位移信号受干扰引起机组跳车

某公司某离心压缩机在停车检修后开车期间，汽轮机冲转正常进行，期间机组在无任何报警信息及异常的情况下突然跳车。查看历史趋势及SOE 第一报警记录，显示跳车第一事件报警信号为机组轴位移高高联锁，且历史趋势显示压缩机两端轴位移及轴振动同一时间剧烈波动。由于机组轴振动未设置联锁，只有轴位移设置停机联锁，并达到联锁值，造成机组停车。因轴位移信号先进入到本特利3500 控制器，同时通过通讯将信号传输至ITCC 控制系统进行显示、报警，两套系统同时进行信号监测，同时发生大幅度波动，超过了联锁定值。因为该套机组的位移联锁逻辑为二取二，即3500 控制系统与ITCC 控制系统同时指示高高联锁动作，并不是单逻辑保护。

通过历史曲线可以观察到两端的轴位移及轴振动共同出现了大幅度的波动及数值跳变，但实际情况下机组正常运行的工况以及各工艺指标、参数分析离心机两端轴位移及轴振动出现大幅度波动及数值跳变的情况几乎不可能，基本判断轴振动及轴位移受到干扰。进一步排查轴振动及位移的信号通讯电缆，轴振动及轴位移测点信号是用24 芯带屏蔽同一根电缆从现场中间接线箱传至3500 监测系统控制柜的，这条信号电缆在3500 监测机柜侧屏蔽线已接地，同时检查现场接线箱端子排处屏蔽线绝缘胶带包裹并悬空，这样就避免了两端接地造成共模干扰的可能性。为了找到事故根源，彻底解决干扰源，在与机组操作工及工艺生产管理人员协商后，工艺人员加强监盘操作；同时仪表人员摘除相关的轴位移高高联锁，共同做好相关的应急处理措施后，工艺重新启机同时仪表检修人员使用高频信号发生器等专用设备在3500 监测系统卡件处和现场中间接线箱接线端子处发射出模拟射频干扰源，并没有发现轴位移及轴振动有大幅度波动及数值跳变的情况。随后，进一步询问现场工艺人员，了解到轴位移及轴振动大幅波动的时候，工艺正在检修机组冷凝液泵，处于试车阶段，有启动高压设备的情况。

随即对轴位移及轴振动测点24 芯屏蔽信号电缆进行检查，发现现场仪表镀锌穿线管在进入桥架一侧有磨损破皮现象，同时信号电缆屏蔽线与镀锌穿线管完全连接，从而造成多点接地，并且在电缆桥架处发现仪表信号线与高压动力电缆有交汇的现象，随后仪表检修人员对仪表信号线重新规整与动力电缆分开敷设，并将24 芯仪表信号电缆屏蔽层进行处理并用绝缘胶带重新彻底包裹。处理后恢复轴位移高高跳车联锁，观察多日，轴位移及轴振动测点均显示正常，未发生轴位移及轴振动大幅度波动的现象。由此判断，现场高压设备瞬间启动电流对轴位移及轴振动信号造成了干扰。

1.2 DCS系统信号干扰引起净化、双甲工段停车

某公司一次氨合成系统非正常停车，工艺DCS 操作人员反映在停车前净化、双甲工段重要的调节回路信号指示出现剧烈波动，并且西门子PCS7-400DCS 系统数值显示出现虚假偏高假象，由此可初步判断DCS 系统信号受到了外界较强的干扰。

以上波动的信号全部为冗余信号，且西门子PCS7-400DCS 系统冗余的实现全部是将IO 模块分布在不同的机柜及不同的站上，及站的不同卡槽上，虽然冗余的系统同时出现故障的概率几乎没有，但是检修人员首先还是对PCS7-400DCS 系统进行了全面检查，分别排查了冗余卡件通道、冗余接线器、冗余通讯卡件、冗余网络交换机及网线、冗余24V 直流电源模块等，对DCS 系统内部进行全面排查，均未发现异常[4]。由于大幅度波动信号主要发生在净化系统脱碳塔及汽提塔液位调节及压力处，与双甲工段甲醇分离器液位及压力调节处，现场检查各装置测点的压力检测变送装置（EJA 变送器）、液位检测变送装置（罗斯蒙特法兰式差压变送器），信号电缆的绝缘措施、屏蔽接地措施等均未发现异常情况。随后仪表人员现场采用标准信号发生器将信号传输到DCS 处进行打点试验，观察到DCS 显示仍然有波动的情况，从而进一步判断出标准信号在传输过程中受到了干扰。现场检查发现在DCS 信号出现剧烈波动时，设备检修人员正在进行电焊作业，作业的工作电源为电气检修的380V 临时电源，且电焊机接地线搭接在仪表穿线管支架角铁上。因此，能更加明确地判断到电焊机在工作时电源存在干扰，且电源干扰以电磁波的方式串入到DCS 信号的测量回路中，从而造成信号波动及信号叠加的情况。为了进一步证明判断的是否准确，在确保系统能安全运行，并做好充足的应急处置预案、措施及实施办法后，开始电焊作业。DCS 测量信号又出现剧烈波动，并且数值有叠加显示偏高的假象。断开电焊机接地现场停止作业后，DCS 测量信号恢复正常。随后仪表检修人员对现场施工检修作业的电焊机接地进行了检查处理，同时检查并发现仪表电子间接地总引线与接地网接地扁铁连接处接线端子有锈蚀现象，且接地网的阻值偏高，对接地扁铁进行打磨防锈处理，并重新压制接线端子进行可靠连接后恢复正常。由此判定，电焊机工作时电流对DCS 采集信号的传输造成了干扰。

2 事件原因分析

由于DCS 系统采集的信号一般都是微弱的电流信号，这种微弱的电流信号需要经过从现场到控制系统这样长距离的传输，对于DCS 系统来说，干扰信号的来源主要是电阻耦合引入的干扰，电容电感耦合引入的干扰，计算机供电线路上引入的干扰，雷击造成的干扰。这些干扰信号叠加或串入到DCS 信号后，会对DCS 的采集信号产生干扰，采集信号就会出现不同程度的波动及跳变等现象。因此，现场设备中的诸如高压电气设备产生较强的电磁场和电磁波辐射，马达设备产生的强磁场都会以不同方式串入到DCS 系统中。因此，对DCS 系统造成了强烈干扰，出现虚假指示的假象。

3 提升DCS系统信号稳定的对策与影响

3.1 信号电缆对DCS系统稳定运行的影响

DCS 系统采集的信号电缆必须使用带屏蔽的双绞线，这样可以提高DCS 系统的抗干扰能力，并且DCS 模拟量信号和开关量信号电缆不能和动力电缆及其他电缆一起存在于同一电缆槽中，信号电缆应单独使用仪表桥架和电缆保护穿线管。所以在DCS 信号电缆布线过程中，应注意将不同类型的信号线分开铺设，特别是动力电缆与信号电缆应分布在不同的电缆桥架内。

3.2 正确使用与完善接地对DCS系统稳定运行的影响

在DCS 系统中，干扰是指串入或者叠加在系统电源、信号线上的与采集信号无关的电信号，干扰会造成DCS 系统测量的误差，严重的干扰甚至有可能造成系统停车和设备损坏。DCS 系统的接地处理是信号抗干扰最有效的方法，接地可以理解为一个等电位点或等电位面，作为电路或系统的基准电位，但不一定就是大地电位。保护接地必须在大地电位上，信号地线可根据实际情况设计并不一定就是大地电位。

接地的作用可以划分为两种：一种是指为了保护人身安全和设备运行不受损害的接地措施叫作保护接地。保护接地就是在DCS 系统中的金属外壳都处于大地点位，以此起到保护设备和人身安全的目的，所以必须确保金属外壳和地之间形成回路，除此保护接地还可以防止静电的目的。保护地线应接至厂区电气接地网或设备所在地的建筑地上，接地电阻应小于4Ω。保护接地又分为防电击接地、防雷接地和防电蚀接地[2]。另一种是功能性接地：功能性接地是为了提高系统的抗干扰，为了使DCS 以及与其所连接的仪表可靠运行。一般来说，功能性接地可以分为工作接地、逻辑接地、信号回路接地、屏蔽接地。

工作接地：为了保证电力系统运行，防止系统震荡，保证继电保护的可靠性，在直交流电力系统的适当地方进行接地。

逻辑接地：为了确保稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属件作为逻辑地，一般采用金属底板作逻辑地。

信号回路接地：是各仪表设备，测量变送装置的负端接地，开关量信号的负端接地等；信号回路地是DCS 系统对外界信号输入、输出的信号基准参考电平，为了减少干扰电平对信号回路的影响，统一基准电平的前提是现场的信号源装置及DCS 系统的IO 电路对地处于同一电位。

屏蔽接地：也称为模拟地，将电气干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰对电子设备的影响，也可减少电子设备产生的干扰影响其他电子设备[3]。这种接地方法可以屏蔽DCS 采集信号传输所受到的干扰，提高采集信号的质量和精度。

4 实施效果

DCS 控制系统信号稳定运行及干扰是一个十分复杂的问题，本文仅以某公司两起事件介绍了DCS 控制系统信号稳定运行及干扰产生的原因及应对对策，通过正确分析DCS 系统运行时干扰源的来源、种类、易存在干扰源的部位，及如何应对干扰对DCS 控制系统的影响，综合运用接地及隔离等对策，保证DCS 系统及本特利3500 轴瓦监测系统安全稳定运行，高效发挥DCS 控制系统在化工生产过程中的监视、控制等作用。