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1、火力发电厂中DCS系统抗干扰措施技术探讨王雁刚新疆电力建设公司摘要：本文就火力发电厂中DCS(集散控制系统)干扰产生的原因进行了认真的分析，由于电子设备产生干扰的源头较多，各种高电压、大电流、大电感的设备周围都存在很强的电磁场，并且经常发生变化，这些电磁场通过多种方式引入到电子设备中，将会影响电子设备运行的稳定性、可靠性，甚至直接影响设备的安全。下面本文就对如何防止、消除各类干扰作了祥尽的阐述并提出了具体的解决办法。关键词：DCS 电磁干扰 电缆 接地 屏蔽 0 概述在火力发电厂安装时，DCS系统中主要有内部干扰和外部干扰两种，本文主要介绍外部干扰和抑制外部干扰的措施。电磁干扰源种类及其干扰方
2、式（1）内部干扰：所谓内部干扰是指由电子设备自身产生的干扰。这些干扰主要来自电子设备内部电子线路布局不合理，在设备内部产生电磁波引起干扰、多点接地引起的电位差。（2）外部干扰：能在空间产生电磁场的电器设备和输电线路，都能成为外部干扰源，即电气干扰。在发电厂中，电子设备的外部干扰源很多，如无线电波、电火花、过电压、大容量设备的启停、电气设备事故接地、雷击等。这些干扰源通过以下几种方式作用到电子设备上，产生干扰噪声。1 外部干扰的来源1.1 因安装、使用的环境条件不符合要求而产生的干扰：控制室位置不合适，如靠近大型电气设备等，控制室结构设计不完善；控制室靠近振动源或热源，会产生线路、板件接触不良或
3、因温度（超限）等都会干扰DCS系统的可靠性。1.2 射频干扰：大功率的高频发生装置、可控硅变流装置、直流电机整流子碳刷的滑动、电气装置接点断开时的火花以及电焊机的弧光等，都将产生强烈的高频电磁波，以空间辐射的形式向四周扩散，从而传播到弱电回路中，引起电气干扰。1.3 供电系统引入的干扰：变压器、稳定电源、开关电源、UPS等干扰通常由直流电源滤波不佳，电压不稳定或电源变压器交流变化引起，导致逻辑电路的误动作出现误操作。1.4 MCC柜、变频器、电机等电气设备引入的电磁干扰：现场大型电气设备起动频繁，各种开关装置动作也较频繁，而电动机的起动和开关的通断伴随有电磁火花会产生很大的突变磁场，该磁场既可
4、以通过信号线耦合产生干扰，也可能经过电源线路上传至各电源插座，这些干扰如果超过允许范围，就会影响DCS控制系统的工作。1.5 由于接地系统不合理引入的干扰：当接地电阻过大、多点接地、接地线断线或接地线与高压，大电流设备相接触，就会造成DCS的“死机”或信号数据失真。1.6 传导、寄生藕合引入的干扰：由电源线、信号线传导耦合引入的干扰包括以下几种情况：（1）在被控现场的信号线同时接入控制柜，这些信号线或者走电缆槽，或者走电缆管。干扰会通过分布电容加到别的信号线上，同时，交变信号线周围产生交变磁通。并行的导体之间产生电动势，造成线路的干扰；（2）信号线由于绝缘材料老化，漏电而影响到其他信号，即在其
5、他信号线中引入干扰；（3）在用电能作为执行手段的控制系统中信号传感器漏电接触到带电体引入很大的干扰。2 干扰的输入方式辐射是由大容量设备启停等产生的工频电磁波，由电火花、电焊、对讲机等产生的高频电磁波，在电子设备周围形成电场和磁场，直接作用到电子设备上，产生干扰。在现场，各类干扰信号会通过不同途径与仪表电路耦合。干扰的耦合方式常有以下几种：2.1 电容耦合（也称静电耦合）由两个电路之间的静电效应而引起的干扰。若干扰线与测量线平行敷设时，相当于两个电路之间有一电容器（称寄生电容或杂散电容）存在。干扰线的干扰电压经此电容耦合到测量线上而产生干扰电压。因为在被控现场往往有很多信号同时接入计算机，而且
6、这些信号线或者走电缆槽，或者走电缆管,但肯定是很多根信号在一起走线。这些信号之间均有分布电容存在，会通过这些分布电容将干扰加到别的信号线上，同时，在交变信号线的周围会产生一个交变的磁通，而这些交变磁通会在并行的导体之间产生电动势，这也会造成线路上的干扰。2.2 电阻耦合（漏电流耦合）当测量线和电源线（或其他高电平的导线）之间绝缘不良，存在漏电阻时，将产生漏电流而使测量装置造成很大的干扰。2.2.1 当几种信号线在一起传输时，由于绝缘材料老化，漏电而影响到其它信号，即在其它信号中引入干扰。2.2.2 在一些执行机构中，现场端采用220V供电，有时设备烧坏，造成电源与信号线间短路，也会造成较大的干
7、扰。2.2.3 由于接地不合理，例如在信号线的两端接地，会因为地电位差而加入一端较大的干扰，信号线的两端同时接地，这样，如果两点的距离较远，则可能会有较大的电位差，这个电位差可能会在两端之间的信号线上产生一个很大的环流。2.3 电感耦合（电磁场耦合）耦合亦称“交连”。耦合现象就是两个或两个以上电路构成一个网络时，其中某一电路的电流或电压发生变化，影响其他电路发生相应变化的现象。也就是说， 两个电路之间存在互感，其中一个电路的电流变化，通过磁交连影响到另一个电路的电流发生变化，如测量信号导线与电网线平行时产生的干扰。2.4 差模干扰（串模干扰、正态干扰）干扰信号与有用信号叠加在一起，使接收器的一
8、个输入端电位相对于另一输入端电位发生变化，称为差模干扰。例如，图1所示的热电偶测量回路中，经邻近并行导线中的干扰电流对热电偶一端产生磁场耦合，引起差模干扰，它和有用信号一起被测量和显示出来。图1 差模干扰的例子Un信号源电压；UH等效干扰电压；IH等效干扰电流2.5 共模干扰（同性干扰，对地干扰）共模干扰是指电源线对大地，或中线对大地之间的电位差。对于三相电路来说，共模干扰存在于任何一相与大地之间。共模干扰有时也称为纵模干扰，不对称干扰或接地干扰，这是载流导体与大地之间的电位差。相对于公共电位基准点（通常称为接地点），在测量装置（或仪表）的两个输入端上同时出现干扰，称为共模干扰。这两端的电位同
9、时相对于基准点一起涨落，通常它不直接影响测量结果，但是在一定条件下（如输入电路参数两端不对称时）将会转化成差模干扰，影响测量结果。2.6 计算机供电线路上引入的干扰由于大型电气设备启动频繁，大的开关装置动作也较频繁，这些电动机的启动、开关的闭合产生的火花会在其周围产生很大的交变磁场这些交变磁场既可以通过在信号线上耦合产生干扰，也可能通过电源线上产生高频干扰，这些干扰如果超过容许范围，也会影响计算机系统的工作。3抑制干扰的措施干扰信号若对电子设备产生影响必须具备3个条件：一是要有干扰源；二是要有传播途径；三是要有承受干扰的设备。因此若想抑制干扰，对应也有以下3种思路： 3.1消除或抑制干扰源 就
10、效果来说，消除干扰源是抑制干扰最有效的方法，如禁止在靠近TSI传感器等重要仪表的地方使用对讲机等高频辐射源。但必须在具体判明干扰源且可以改变现场环境后才可以谈到消除干扰源的方法，而由于设计、投资、技术等原因在电磁环境复杂的现场很难做到根除干扰源。因此抑制干扰通常是采取破坏干扰传播途径的方法，从设备选型的角度则尽量采取抗干扰性能较好的电子设备，以降低电子设备对干扰的敏感性。3.2削弱接收电路（被干扰对象）对干扰的敏感性，如高输入阻抗的电路比低输入阻抗的电路易受干扰，模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。3.3破坏干扰传播途径 抑制干扰通常是采取破坏干扰传播途径的方法，具体地说，现场破坏干扰传播途径主
11、要采取以下措施。3.3.1屏蔽 屏蔽是用金属(屏蔽体)把电场或磁场等外界干扰阻止在受干扰物之外。现场中常用的屏蔽手段是采用屏蔽电缆。使用屏蔽电缆时，应注意进入DCS的信号电缆应采用单点接地的方式。当屏蔽电缆有中继点时，在中继处应注意屏蔽层的连续性。为保证屏蔽层一点接地，屏蔽层外应有良好的绝缘性能。对于多芯对绞屏蔽电缆，每对对绞线外应有单独的屏蔽层，以防止对绞线之间产生感性耦合，对绞线的屏蔽应是彼此绝缘的，电缆外还应有总屏蔽层和绝缘层。 现场中磁屏蔽的一般做法是将信号电缆敷设在铁制槽盒内，或者将信号电缆穿入铁管。 在机组DCS调试阶段曾发现电气专业将接入DCS的电气信号电缆屏蔽层在设备端和DCS
12、机柜端分别接地，这与热工专业规定电缆屏蔽层需集中一点接地的要求不一致。但根据电气专业相关规范的规定，当采用静态保护时，采用屏蔽电缆时屏蔽层宜在两端接地。故电气与热工专业对于电缆屏蔽层接地的规定在一定程度上产生了分歧。 对于通过电容耦合的电场干扰，一点接地即可大大降低干扰电压，发挥屏蔽作用。对于通过感应耦合的磁场干扰，传递信号的屏蔽双绞线两线上感应的干扰电压接近相等且方向相反，在应用回路中是互相抵消的。但采用两端接地方式时，外部干扰电流产生的磁场在屏蔽层中感应产生一个与外部干扰电流方向相反的电流，这个电流起到抵消干扰电流的作用，也可以产生屏蔽作用。可是两端接地时，如果两端地电位不一致(在地网流过
13、暂态电流时)，那么将在屏蔽层中产生一个附加电流，这个电流将在屏蔽电缆中信号线产生干扰电压。热工自动化设备比较分散，就地设备处的屏蔽层都要接到全厂公用地困难较大，且仪表及控制系统信号绝大多数是低频信号，低频信号接地的原则是单点接地，以避免形成接地回路。正是由于两点接地的这种“有利”和“有弊”之间的矛盾，电气规程规定高频信号较多的电气电缆屏蔽层宜在两端接地，而热工专业规定电缆屏蔽层需在控制柜处集中一点接地。 现为保证DCS卡件不受地电位不一致导致的干扰电压的影响，故规定所有进入DCS的信号均应采用单点接地的方式。 在厂输煤工业电视改造调试过程中，曾因视频电缆被干扰，出现监视画面不稳定、有滚动条纹等
14、现象。后将信号电缆屏蔽层在输煤工业电视机柜处接地，大大降低了干扰电压，消除了监视画面不稳定、有滚动条纹等现象。现场中磁屏蔽的一般做法是将信号电缆敷设在铁制槽盒内，或者将信号电缆穿入铁管。由于槽盒的磁阻较小，外部磁场的磁力线主要在槽盒铁件中通过，不至于切割信号电缆，所以也就大大减小了外磁场的干扰。热电偶的补偿导线绞合起来穿入铁管中，也是这个道理。为了保证信号电缆不受外界磁场的干扰，可以对电缆采取一下方法进行保护，以减少信号在传输中受到干扰。信号电缆布设总体原则（1）对于类信号电缆，必须采用屏蔽电缆，有条件时最好采用屏蔽双绞电缆。如热电阻信号、热电偶信号、毫伏信号、应变信号等低电平信号。（2）对于
15、类信号，尽可能采用屏蔽电缆，其中类信号中用于控制、联锁的模入模出信号、开入信号，必须采用屏蔽电缆，有条件时最好采用屏蔽双绞电缆。如05V、15V、420mA、010mA模拟量输入信号；420mA、010mA模拟量输出信号；电平型开关量输入信号；触点型开关量输入信号；脉冲量输入信号；24VDC小于50mA的阻性负载开关量输出信号。又如110VAC或220VAC开关量输出信号，此类信号的馈线可视作电源线处理布线的问题。（3）对于类信号严禁与、类信号捆在一起走线，应作为220V电源线处理，与电源电缆一起走线，有条件时建议采用屏蔽双绞电缆。（4）对于类信号，允许与220V电源线一起走线（即与类信号相同
16、），也可以与、类信号一起走线。但在后者情况下类信号必须采用屏蔽电缆，最好为屏蔽双绞电缆，且与、类信号电缆相距15cm以上。如24V48VDC感性负载或者电流大于50mA的阻性负载的开关量输出信号。为保证系统稳定、可靠、安全地运行，与DCS系统相连的信号电缆还必须保证：（1）类信号中的毫伏信号、应变信号应采用屏蔽双绞电缆，这样，可以大大减小电磁干扰和静电干扰。（2）条件允许的情况下，类信号尽可能采用屏蔽电缆（或屏蔽双绞电缆），还应保证屏蔽层只有一点接地，且要接地良好。（3）绝对禁止大功率的开关量输出信号线、电源线、动力线等电缆与直接进入DCS系统的、类信号电缆并行捆绑。（4）绝对禁止采用一根多芯电
