加热炉控制系统中信号抗干扰措施的研究与应用

甄玉山 刘运洲

（北京航天石化技术装备工程有限公司）

加热炉是化工企业的常规热能动力设备，具有一定的危险性，加热炉的安全稳定运行是现代化工业生产中至关重要的因素。 但在实际生产过程中，现场仪表有用的信号上经常会叠加一些与被测信号无关的电压或电流信号，这种无关的信号被称为“干扰”。 如果从现场仪表反馈到中控室的测量信号受到干扰，测量信号就无法反映现场真实的数据，从而影响加热炉控制系统的效果和精度，这些是干扰造成的最基本的危害。 如果加热炉控制系统中的一些关键信号受到干扰，不仅影响装置平稳高效生产，而且很容易导致系统发生联锁停车，造成生产被动甚至导致严重的生产事故或安全事故。 为此，在实际工程中，一般采用信号电缆屏蔽、系统接地、信号滤波及电气隔离等各种抗干扰方法，防止干扰对设备的影响。

在某大型加热炉项目现场的调试阶段，调试人员发现现场温度、压力信号受到干扰的情况比较严重。 为此，深入分析现场仪表和控制系统存在的干扰现象，找出干扰源并采取相应的抗干扰措施， 尽可能地提高仪表信号的抗干扰能力，从而降低加热炉运行的安全隐患，保障系统的安全稳定运行。

1 分析过程

1.1 问题描述

加热炉主要包括： 加热炉本体、 燃烧器、烟囱、燃气管线及物料管线等。 加热炉控制系统的现场仪表主要包括温度变送器、 压力变送器、流量计及电控阀门等［1］。

在某大型加热炉项目现场的调试阶段，调试人员发现现场温度、压力信号受到干扰的情况比较严重。 有十余支温度变送器工作一段时间后陆续出现故障。 该项目共设置了75 支温度变送器，故障率达到了13.3%。 同时控制系统的监控画面上压力数值异常波动也比较大，可能会导致系统发生误报警联锁。 温度和压力信号显示值的严重干扰问题已经影响到装置的正常生产，需要尽快排查解决。

1.2 原因分析

通常所说的干扰是指电磁干扰，产生干扰的途径很多。 电气设备在工作过程中会产生间歇或连续的电压电流变化，这部分电磁能量会通过相应的电路传导到周围的环境中，从而对周围的仪表设备产生干扰。 另外，现场的热噪声、机械振动等也可能给仪表测量造成一定的干扰。 所以仪表在实际应用时，不仅要有良好的动态性能，同时也需要排除这些干扰造成的影响，否则仪表就不能反馈正确的信号，影响装置设备的正常生产。

各种干扰有不同的产生原因和来源，基本可归类为外部干扰和内部干扰两类：

a. 外部干扰一般可分为外部线路的电磁干扰、电源干扰及线路接地干扰等；

b. 内部干扰即仪表本身的一些电气元件（如电源模块、继电器及线圈等）产生的干扰。

在对干扰做了全面分析的基础上，要想抑制干扰，需要在3 个方面采取措施：消除或抑制干扰源、破坏干扰传播途径和降低接收电路对干扰的敏感性［2］。

1.3 确认干扰原因

针对该项目仪表信号被严重干扰的问题，对造成这些故障的各种原因进行了细致分析，经汇总归纳，从多个方面总共寻找到3 项对仪表信号造成干扰的末端原因，以下逐项分析。

1.3.1 仪表内部无电气隔离

为了排查温度变送器的干扰问题，现场仪表维护工程师拆下故障温度变送器， 用万用表查验。 检查发现热电阻的阻值全部正常，但是经温度变送模块转换后的电流信号出现异常，异常的电流信号经电缆传输至控制柜，导致上位机监控画面上显示异常。 因此，初步确认是温度变送模块存在问题。 由于该项目采用的温度变送模块没有隔离功能，导致信号易受干扰。 因此仪表内部无电气隔离是主要原因。

1.3.2 电气柜干扰

电气柜在变频器启动或运行过程中会产生谐波并对电网产生传导干扰，而且在输出时也会产生电磁辐射，影响周边设备的运行。

经分析发现， 仪表控制柜和电气柜之间有两个交接信号通过硬线连接， 若断开这两个信号，则监控画面中压力数值的异常波动消失。 电气柜内含一台大功率变频器， 变频器产生的电磁辐射极有可能通过电缆将干扰引入到仪表控制柜， 导致进入仪表控制柜的其他信号也受到影响，产生了异常波动。 因此电气柜干扰是主要原因。

1.3.3 信号线路干扰

交流电动机、变频器等设备都会产生较强的交变磁场，仪表测量或者控制电缆通过交变磁场时就会受到影响，在仪表的信号回路中感应出交流电压从而成为干扰信号。

一般工程中可使用数字万用表的交流毫伏挡测量干扰电压，干扰电压大多在几毫伏到几十毫伏的范围内。 通过在仪表柜端子排上对压力信号进行测量发现，压力信号确实存在几毫伏到十几毫伏不等的干扰电压。 因此信号线路干扰是主要原因。

2 对策制定与实施

针对上一个环节中分析得出的3 个要因，结合以往工程经验制定了对策表，见表1。

表1 对策表

2.1 选用具有隔离功能的仪表

在项目设计初期，现场的温度变送模块选用的是常规的非隔离模块，但是由于该项目现场情况复杂，温度变送器出现了严重干扰。 为了提高仪表本身的抗干扰能力，将现场所有温度转换器由非隔离模块升级为隔离模块。 待厂家更换的新模块到货后， 现场仪表维护工程师将现场75 支温度变送器的温度转换器全部更换。 更换完成后，温度变送信号基本恢复正常。

2.2 控制柜内增加隔离器

为了消除从电气柜的变频器引入的干扰，可在信号回路中加装信号隔离器，通过通道的隔离可以切断外部干扰窜入输入/输出通道的渠道，以此消除信号回路中的干扰。 需要注意的是，隔离器的电源应该与对应的测量或控制仪表采用同一电源，并保证不引起信号失真。

每台加热炉对应的仪表柜和电气柜之间的交接信号有两个，分别为变频器的频率值和反馈电流。 重新采购了一批信号隔离器并对仪表柜和电气柜进行改造，给两个交接信号通道新增了信号隔离器。 从监控画面中可以明显看出，增加隔离器后，变频器的反馈电流和现场的压力数值波动明显变小，说明在一定程度上抑制了信号的干扰现象。

2.3 压力信号回路增加电容滤波

为了降低信号线路受到的干扰， 工程上一般可以在信号回路中增加滤波电容 （约0.033μF）， 给干扰信号提供泄放通道。 具体操作是： 首先在信号回路中先试着接入小容量的滤波电容， 如有效果可逐渐增大容量。 在增大电容容量的过程中， 一旦发现信号出现衰减，就应减少当前的电容容量， 选取上一挡电容。现场仪表维护工程师将波动比较明显的压力回路中串入0.033μF 的电容后， 监控画面中压力值异常波动减弱， 与现场压力变送器表头显示值 一 致［3］。

3 结束语

在某大型加热炉项目调试现场，针对现场温度、压力信号干扰较严重的情况，通过实施采用隔离功能的仪表、控制柜内增加隔离器和压力信号回路增加电容滤波的抗干扰措施，加热炉信号干扰问题终于得到解决。 在项目运行一个月后，操作人员反馈， 监控画面上的显示数据真实稳定，仪表和控制系统受到的干扰明显降低，仪表信号的抗干扰能力得到了提升，消除了干扰带给控制系统的安全隐患。