王曉娟 馬曉波 龔乃建 內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

轉(zhuǎn)油站電子自動(dòng)化控制接地抗干擾技術(shù)*

王曉娟 馬曉波 龔乃建 內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

為避免生產(chǎn)過程中多種干擾因素，在油田電子自動(dòng)化控制裝置中添加了抗干擾抑制技術(shù)。系統(tǒng)通過電容、電感等變化的數(shù)據(jù)信息來傳遞計(jì)算機(jī)數(shù)字化信號(hào)，將這種變化的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為傳輸?shù)囊种撇ㄐ巍Ｍㄟ^接地技術(shù)，可以給電路系統(tǒng)中的全部單元電路提供一個(gè)公共參考的零電位，從而滿足電路系統(tǒng)的持續(xù)工作；此外，通過機(jī)殼接地的方式，可以讓由靜電感應(yīng)而產(chǎn)生在機(jī)殼上的大量電荷得到釋放，避免了集中化電荷形成高壓電。轉(zhuǎn)油站為了避免緊急事故的發(fā)生，專門配備了專業(yè)的緊急切斷ESD系統(tǒng)，負(fù)責(zé)時(shí)刻監(jiān)控工作流程的安全性。

電子自動(dòng)化；控制系統(tǒng)；接地抗干擾；靜電屏蔽；電磁屏蔽

1 自動(dòng)化控制裝置干擾因素

（1）電子靜電干擾。靜電干擾指的是電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的電子元器件（如電容元件、電感元件等）在控制系統(tǒng)通電運(yùn)行情況下，各種復(fù)雜控制電路中電容、電感線圈耦合引起整個(gè)控制電路回路中電壓變化，從而對(duì)控制系統(tǒng)控制功能發(fā)揮起到干擾的一種電磁干擾現(xiàn)象。目前石油工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中受到來自于電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)線圈繞組、各種變壓器鐵芯、磁性材料、繼電磁控制開關(guān)等因素影響，在通電運(yùn)行過程中就會(huì)產(chǎn)生多種動(dòng)態(tài)變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而影響整個(gè)控制電路局部電壓、電流變化，對(duì)智能計(jì)算機(jī)控制終端發(fā)出的各種指令信號(hào)產(chǎn)生干擾作用。

（2）線圈繞組磁場(chǎng)耦合干擾。石油開采現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的大型發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器中存在的線圈繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合是一種自發(fā)感應(yīng)式干擾模式，產(chǎn)生該現(xiàn)象原因主要是電子控制電路導(dǎo)線中局部流過高強(qiáng)度電流時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)，動(dòng)態(tài)變化電場(chǎng)會(huì)向周圍輻射電磁波[1]。目前，石油工業(yè)中較為普遍的電磁輻射干擾情況可以分為以下幾種：強(qiáng)電流導(dǎo)致電磁輻射、電磁式觸點(diǎn)電子開關(guān)通電瞬間產(chǎn)生電火花光波輻射干擾等，這些干擾信號(hào)很容易與控制電路中傳輸?shù)目刂菩盘?hào)電磁波相互混合，導(dǎo)致控制裝置控制信號(hào)不能被設(shè)備有效執(zhí)行。

（3）電路共模干擾因素。油田電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中控制電路與智能終端設(shè)備之間大多采用發(fā)動(dòng)器控制電路來完成控制信號(hào)的高效傳輸。油田自動(dòng)化控制系統(tǒng)工作環(huán)境非常惡劣，多數(shù)重型機(jī)械設(shè)備工作過程中都會(huì)產(chǎn)生輻射電波。控制電路中元件接收到感生磁動(dòng)勢(shì)與電動(dòng)勢(shì)時(shí)，會(huì)在雙向輸出電路中產(chǎn)生兩個(gè)完全相同的干擾信號(hào)，使控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)分辨不出信號(hào)中是否存在干擾信號(hào)，造成油田電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)在信號(hào)傳輸過程中信號(hào)失真或者受損，影響智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

（4）阻抗干擾因素。轉(zhuǎn)油站自動(dòng)化電子控制系統(tǒng)電路中存在較多電容與電感元件，由于功能需要，電阻與電感往往會(huì)與局部電子回路中的公用傳輸導(dǎo)線相連接，因此當(dāng)控制系統(tǒng)通電運(yùn)行后電流流過某一局部回路公用傳輸導(dǎo)線時(shí)，因?qū)Ь€上存在電阻、電感就會(huì)造成壓降。公用導(dǎo)線上產(chǎn)生的阻抗壓降也會(huì)影響到其他控制回路，從而形成共阻抗干擾。共阻抗干擾現(xiàn)象會(huì)使控制電路中電流、電壓產(chǎn)生瞬間變化，并且該現(xiàn)象在高頻電流區(qū)更加明顯。

（5）漏電耦合及電網(wǎng)干擾因素分析。自動(dòng)化電子控制系統(tǒng)中存在的漏電耦合干擾原因是控制裝置的內(nèi)部控制電路或者其與外部信號(hào)傳輸線的交接處進(jìn)行了絕緣化處理。由于控制電路中復(fù)雜的電磁變化影響使絕緣體之間依然存在感應(yīng)電磁關(guān)系，從而使控制系統(tǒng)內(nèi)部存在所謂的漏電現(xiàn)象，造成電能大量浪費(fèi)的同時(shí)形成漏電耦合干擾現(xiàn)象，影響系統(tǒng)功能發(fā)揮。

2 抗干擾抑制措施

為避免生產(chǎn)過程中多種干擾因素，在油田電子自動(dòng)化控制裝置中添加了抗干擾抑制技術(shù)。系統(tǒng)通過電容、電感等變化的數(shù)據(jù)信息來傳遞計(jì)算機(jī)數(shù)字化信號(hào)，將這種變化的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為傳輸?shù)囊种撇ㄐ巍?/p>

（1）靜電屏蔽抑制靜電干擾。轉(zhuǎn)油站電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中針對(duì)普遍存在的靜電干擾現(xiàn)象，所采取的抑制措施主要是利用靜電屏蔽的方式將干擾信號(hào)逐漸弱化甚至消除。靜電屏蔽技術(shù)原理是：處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)處處相等，導(dǎo)體內(nèi)部不存在電場(chǎng)，采用將導(dǎo)電裝置用保護(hù)導(dǎo)線接地處理的方式使控制設(shè)備與相對(duì)應(yīng)的干擾源靜電屏蔽[2]。

（2）電磁屏蔽抑制線圈繞組磁場(chǎng)耦合干擾。轉(zhuǎn)油站自動(dòng)化電子控制系統(tǒng)與設(shè)備工作環(huán)境非常惡劣，電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備往往會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的感生電磁場(chǎng)，并向周圍輻射電磁波，從而對(duì)控制系統(tǒng)中的控制信號(hào)傳輸電路產(chǎn)生較強(qiáng)干擾。電磁屏蔽抑制線圈繞組磁場(chǎng)耦合干擾原理與靜電屏蔽原理相似，通常是采用導(dǎo)磁率較高的材料接入自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，屏蔽體能夠吸收周圍環(huán)境中游離電磁波干擾信號(hào)，有效抑制干擾信號(hào)。

（3）電磁屏蔽抑制電磁輻射干擾。電磁輻射干擾信號(hào)產(chǎn)生主要原因是高頻率的電流感生出的瞬變電磁場(chǎng)，對(duì)油田生產(chǎn)信號(hào)產(chǎn)生巨大的干擾。轉(zhuǎn)油站自動(dòng)化控制系統(tǒng)抑制電磁干擾技術(shù)原理是：利用鋁、銅及合金在電阻率很低的金屬材料上制成網(wǎng)狀導(dǎo)線屏蔽層，當(dāng)外部產(chǎn)生高強(qiáng)電磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì)在網(wǎng)狀屏蔽層內(nèi)產(chǎn)生電磁渦流。渦流的產(chǎn)生能夠有效降低干擾電磁波信號(hào)的強(qiáng)度，甚至可消除內(nèi)外部感生電磁場(chǎng)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象。

（4）抑制阻抗干擾。共阻抗干擾在轉(zhuǎn)油站自動(dòng)化電子控制系統(tǒng)中較為常見，控制電路的局部電子回路中的公用導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生共阻抗干擾，主要分為電源共阻抗與公用導(dǎo)線共阻抗干擾兩種方式。抑制電源共阻抗干擾可提高電源有效輸出功率并降低電源系統(tǒng)存在的內(nèi)阻抗，例如采用截面積較大、長(zhǎng)度較短的電源線與接地線，可抑制共阻抗干擾。

3 接地抗干擾技術(shù)

在油田鉆井環(huán)節(jié)，接地抗干擾技術(shù)主要解決兩方面的問題：①避免地環(huán)電流干擾；②減少公用地線阻礙的干擾。通過接地技術(shù)，可以給電路系統(tǒng)中的全部單元電路提供一個(gè)公共參考的零電位，從而滿足電路系統(tǒng)的持續(xù)工作；此外，通過機(jī)殼接地的方式，可以讓由靜電感應(yīng)而產(chǎn)生在機(jī)殼上的大量電荷得到釋放，避免了集中化電荷形成高壓電，引起機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生火花[3]。選擇適當(dāng)?shù)慕拥兀梢詫?duì)電路起到很好的屏蔽效果，避免在雷電天氣發(fā)生電磁感應(yīng)而影響設(shè)備運(yùn)行。根據(jù)接地抗干擾技術(shù)的特點(diǎn)，大致可以分為四類：①懸浮接地式；②單點(diǎn)接地；③多點(diǎn)接地；④混合接地。

電子自動(dòng)化抗干擾技術(shù)為油田轉(zhuǎn)油站的有效運(yùn)行提供了技術(shù)保障。轉(zhuǎn)油站生產(chǎn)管理一般利用了以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的PLC控制系統(tǒng)，可以在油站控制中心的大屏幕中顯示各個(gè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)、工藝流程圖、實(shí)時(shí)工作圖像等，做到了遠(yuǎn)程無人監(jiān)控。轉(zhuǎn)油站為了避免緊急事故的發(fā)生，專門配備了緊急切斷ESD系統(tǒng)，負(fù)責(zé)時(shí)刻監(jiān)控工作流程的安全性。ESD系統(tǒng)還能夠?qū)μ幱谑鹿薁铙w的設(shè)備、生產(chǎn)裝置、火災(zāi)裝置等進(jìn)行開關(guān)切斷。在油水泵房和氣體壓縮機(jī)房、原油處理裝置房、氣體處理區(qū)等地方配備了有毒氣體檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了電子自動(dòng)化檢測(cè)氣體。

4 結(jié)語(yǔ)

電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)措施可從兩方面著手，一種是將原有運(yùn)算放大器控制電路改成隔離運(yùn)算放大器控制電路，將設(shè)備線路間的電流、電壓信號(hào)實(shí)施隔離，使動(dòng)態(tài)變化的電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化控制電路，從而降低通電電子元件周圍輻射電磁波的干擾，便于智能控制終端能夠高效接收控制信號(hào)。另一種是將輻射的感生電磁波利用特殊技術(shù)手段過濾掉，使控制信號(hào)強(qiáng)度提高，提高控制信號(hào)傳輸過程中的辨識(shí)強(qiáng)度，將干擾影響降到最低。通過實(shí)驗(yàn)及實(shí)地應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)兩種干擾抑制技術(shù)皆可發(fā)揮巨大功能，提高油田生產(chǎn)效率。

[1]盧俊棋．論工業(yè)電子自動(dòng)化控制裝置常見干擾及對(duì)策[J]．廣東科技，2008（24）：57-59．

[2]潘崢嶸．基于GPRS的油田抽油機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008（2）：23-24.

[3]文波．基于嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程抽油機(jī)示功儀的設(shè)計(jì)[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.036

基金論文：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目基金“切換系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制及其應(yīng)用”（NJZC13349）。