馬孝貴

（山西晉煤天源化工有限公司，山西 高平 048400）

煤化工生產(chǎn)中集散控制系統(tǒng)（DCS）的穩(wěn)定性對(duì)化工廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。DCS 的控制功能涵蓋了化工廠的模擬量控制系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量邏輯系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)、復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)和外圍的輔控系統(tǒng)等，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)信號(hào)的穩(wěn)定運(yùn)行及抗干擾措施是否合理到位，直接影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，甚至?xí)斐缮a(chǎn)裝置的安全事故。為此，控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)信號(hào)的穩(wěn)定運(yùn)行及抗干擾措施的科學(xué)合理設(shè)計(jì)和實(shí)施顯得尤為重要。

本文針對(duì)某公司由于離心壓縮機(jī)組本特利3500 軸位移及軸振動(dòng)信號(hào)受干擾，造成離心壓縮機(jī)組停車(chē)[1]；西門(mén)子PCS7-400DCS 控制系統(tǒng)重要模擬量信號(hào)受干擾，造成凈化和合成工段非正常停車(chē)兩起事件，分析了西門(mén)子PCS7-400DCS 系統(tǒng)干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因，提出了離心機(jī)組3500軸振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與西門(mén)子PCS7-400DCS 控制系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定運(yùn)行的對(duì)策并予以實(shí)施。

1 事件原因過(guò)程檢查

1.1 離心壓縮機(jī)軸振動(dòng)及軸位移信號(hào)受干擾引起機(jī)組跳車(chē)

某公司某離心壓縮機(jī)在停車(chē)檢修后開(kāi)車(chē)期間，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)正常進(jìn)行，期間機(jī)組在無(wú)任何報(bào)警信息及異常的情況下突然跳車(chē)。查看歷史趨勢(shì)及SOE 第一報(bào)警記錄，顯示跳車(chē)第一事件報(bào)警信號(hào)為機(jī)組軸位移高高聯(lián)鎖，且歷史趨勢(shì)顯示壓縮機(jī)兩端軸位移及軸振動(dòng)同一時(shí)間劇烈波動(dòng)。由于機(jī)組軸振動(dòng)未設(shè)置聯(lián)鎖，只有軸位移設(shè)置停機(jī)聯(lián)鎖，并達(dá)到聯(lián)鎖值，造成機(jī)組停車(chē)。因軸位移信號(hào)先進(jìn)入到本特利3500 控制器，同時(shí)通過(guò)通訊將信號(hào)傳輸至ITCC 控制系統(tǒng)進(jìn)行顯示、報(bào)警，兩套系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)，同時(shí)發(fā)生大幅度波動(dòng)，超過(guò)了聯(lián)鎖定值。因?yàn)樵撎讬C(jī)組的位移聯(lián)鎖邏輯為二取二，即3500 控制系統(tǒng)與ITCC 控制系統(tǒng)同時(shí)指示高高聯(lián)鎖動(dòng)作，并不是單邏輯保護(hù)。

通過(guò)歷史曲線可以觀察到兩端的軸位移及軸振動(dòng)共同出現(xiàn)了大幅度的波動(dòng)及數(shù)值跳變，但實(shí)際情況下機(jī)組正常運(yùn)行的工況以及各工藝指標(biāo)、參數(shù)分析離心機(jī)兩端軸位移及軸振動(dòng)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)及數(shù)值跳變的情況幾乎不可能，基本判斷軸振動(dòng)及軸位移受到干擾。進(jìn)一步排查軸振動(dòng)及位移的信號(hào)通訊電纜，軸振動(dòng)及軸位移測(cè)點(diǎn)信號(hào)是用24 芯帶屏蔽同一根電纜從現(xiàn)場(chǎng)中間接線箱傳至3500 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制柜的，這條信號(hào)電纜在3500 監(jiān)測(cè)機(jī)柜側(cè)屏蔽線已接地，同時(shí)檢查現(xiàn)場(chǎng)接線箱端子排處屏蔽線絕緣膠帶包裹并懸空，這樣就避免了兩端接地造成共模干擾的可能性。為了找到事故根源，徹底解決干擾源，在與機(jī)組操作工及工藝生產(chǎn)管理人員協(xié)商后，工藝人員加強(qiáng)監(jiān)盤(pán)操作；同時(shí)儀表人員摘除相關(guān)的軸位移高高聯(lián)鎖，共同做好相關(guān)的應(yīng)急處理措施后，工藝重新啟機(jī)同時(shí)儀表檢修人員使用高頻信號(hào)發(fā)生器等專(zhuān)用設(shè)備在3500 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卡件處和現(xiàn)場(chǎng)中間接線箱接線端子處發(fā)射出模擬射頻干擾源，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軸位移及軸振動(dòng)有大幅度波動(dòng)及數(shù)值跳變的情況。隨后，進(jìn)一步詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)工藝人員，了解到軸位移及軸振動(dòng)大幅波動(dòng)的時(shí)候，工藝正在檢修機(jī)組冷凝液泵，處于試車(chē)階段，有啟動(dòng)高壓設(shè)備的情況。

隨即對(duì)軸位移及軸振動(dòng)測(cè)點(diǎn)24 芯屏蔽信號(hào)電纜進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表鍍鋅穿線管在進(jìn)入橋架一側(cè)有磨損破皮現(xiàn)象，同時(shí)信號(hào)電纜屏蔽線與鍍鋅穿線管完全連接，從而造成多點(diǎn)接地，并且在電纜橋架處發(fā)現(xiàn)儀表信號(hào)線與高壓動(dòng)力電纜有交匯的現(xiàn)象，隨后儀表檢修人員對(duì)儀表信號(hào)線重新規(guī)整與動(dòng)力電纜分開(kāi)敷設(shè)，并將24 芯儀表信號(hào)電纜屏蔽層進(jìn)行處理并用絕緣膠帶重新徹底包裹。處理后恢復(fù)軸位移高高跳車(chē)聯(lián)鎖，觀察多日，軸位移及軸振動(dòng)測(cè)點(diǎn)均顯示正常，未發(fā)生軸位移及軸振動(dòng)大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象。由此判斷，現(xiàn)場(chǎng)高壓設(shè)備瞬間啟動(dòng)電流對(duì)軸位移及軸振動(dòng)信號(hào)造成了干擾。

1.2 DCS系統(tǒng)信號(hào)干擾引起凈化、雙甲工段停車(chē)

某公司一次氨合成系統(tǒng)非正常停車(chē)，工藝DCS 操作人員反映在停車(chē)前凈化、雙甲工段重要的調(diào)節(jié)回路信號(hào)指示出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，并且西門(mén)子PCS7-400DCS 系統(tǒng)數(shù)值顯示出現(xiàn)虛假偏高假象，由此可初步判斷DCS 系統(tǒng)信號(hào)受到了外界較強(qiáng)的干擾。

以上波動(dòng)的信號(hào)全部為冗余信號(hào)，且西門(mén)子PCS7-400DCS 系統(tǒng)冗余的實(shí)現(xiàn)全部是將IO 模塊分布在不同的機(jī)柜及不同的站上，及站的不同卡槽上，雖然冗余的系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)故障的概率幾乎沒(méi)有，但是檢修人員首先還是對(duì)PCS7-400DCS 系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢查，分別排查了冗余卡件通道、冗余接線器、冗余通訊卡件、冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及網(wǎng)線、冗余24V 直流電源模塊等，對(duì)DCS 系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行全面排查，均未發(fā)現(xiàn)異常[4]。由于大幅度波動(dòng)信號(hào)主要發(fā)生在凈化系統(tǒng)脫碳塔及汽提塔液位調(diào)節(jié)及壓力處，與雙甲工段甲醇分離器液位及壓力調(diào)節(jié)處，現(xiàn)場(chǎng)檢查各裝置測(cè)點(diǎn)的壓力檢測(cè)變送裝置（EJA 變送器）、液位檢測(cè)變送裝置（羅斯蒙特法蘭式差壓變送器），信號(hào)電纜的絕緣措施、屏蔽接地措施等均未發(fā)現(xiàn)異常情況。隨后儀表人員現(xiàn)場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器將信號(hào)傳輸?shù)紻CS 處進(jìn)行打點(diǎn)試驗(yàn)，觀察到DCS 顯示仍然有波動(dòng)的情況，從而進(jìn)一步判斷出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到了干擾?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)在DCS 信號(hào)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)時(shí)，設(shè)備檢修人員正在進(jìn)行電焊作業(yè)，作業(yè)的工作電源為電氣檢修的380V 臨時(shí)電源，且電焊機(jī)接地線搭接在儀表穿線管支架角鐵上。因此，能更加明確地判斷到電焊機(jī)在工作時(shí)電源存在干擾，且電源干擾以電磁波的方式串入到DCS 信號(hào)的測(cè)量回路中，從而造成信號(hào)波動(dòng)及信號(hào)疊加的情況。為了進(jìn)一步證明判斷的是否準(zhǔn)確，在確保系統(tǒng)能安全運(yùn)行，并做好充足的應(yīng)急處置預(yù)案、措施及實(shí)施辦法后，開(kāi)始電焊作業(yè)。DCS 測(cè)量信號(hào)又出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，并且數(shù)值有疊加顯示偏高的假象。斷開(kāi)電焊機(jī)接地現(xiàn)場(chǎng)停止作業(yè)后，DCS 測(cè)量信號(hào)恢復(fù)正常。隨后儀表檢修人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工檢修作業(yè)的電焊機(jī)接地進(jìn)行了檢查處理，同時(shí)檢查并發(fā)現(xiàn)儀表電子間接地總引線與接地網(wǎng)接地扁鐵連接處接線端子有銹蝕現(xiàn)象，且接地網(wǎng)的阻值偏高，對(duì)接地扁鐵進(jìn)行打磨防銹處理，并重新壓制接線端子進(jìn)行可靠連接后恢復(fù)正常。由此判定，電焊機(jī)工作時(shí)電流對(duì)DCS 采集信號(hào)的傳輸造成了干擾。

2 事件原因分析

由于DCS 系統(tǒng)采集的信號(hào)一般都是微弱的電流信號(hào)，這種微弱的電流信號(hào)需要經(jīng)過(guò)從現(xiàn)場(chǎng)到控制系統(tǒng)這樣長(zhǎng)距離的傳輸，對(duì)于DCS 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，干擾信號(hào)的來(lái)源主要是電阻耦合引入的干擾，電容電感耦合引入的干擾，計(jì)算機(jī)供電線路上引入的干擾，雷擊造成的干擾。這些干擾信號(hào)疊加或串入到DCS 信號(hào)后，會(huì)對(duì)DCS 的采集信號(hào)產(chǎn)生干擾，采集信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)及跳變等現(xiàn)象。因此，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的諸如高壓電氣設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場(chǎng)和電磁波輻射，馬達(dá)設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)都會(huì)以不同方式串入到DCS 系統(tǒng)中。因此，對(duì)DCS 系統(tǒng)造成了強(qiáng)烈干擾，出現(xiàn)虛假指示的假象。

3 提升DCS系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定的對(duì)策與影響

3.1 信號(hào)電纜對(duì)DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響

DCS 系統(tǒng)采集的信號(hào)電纜必須使用帶屏蔽的雙絞線，這樣可以提高DCS 系統(tǒng)的抗干擾能力，并且DCS 模擬量信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)電纜不能和動(dòng)力電纜及其他電纜一起存在于同一電纜槽中，信號(hào)電纜應(yīng)單獨(dú)使用儀表橋架和電纜保護(hù)穿線管。所以在DCS 信號(hào)電纜布線過(guò)程中，應(yīng)注意將不同類(lèi)型的信號(hào)線分開(kāi)鋪設(shè)，特別是動(dòng)力電纜與信號(hào)電纜應(yīng)分布在不同的電纜橋架內(nèi)。

3.2 正確使用與完善接地對(duì)DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響

在DCS 系統(tǒng)中，干擾是指串入或者疊加在系統(tǒng)電源、信號(hào)線上的與采集信號(hào)無(wú)關(guān)的電信號(hào)，干擾會(huì)造成DCS 系統(tǒng)測(cè)量的誤差，嚴(yán)重的干擾甚至有可能造成系統(tǒng)停車(chē)和設(shè)備損壞。DCS 系統(tǒng)的接地處理是信號(hào)抗干擾最有效的方法，接地可以理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，作為電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定就是大地電位。保護(hù)接地必須在大地電位上，信號(hào)地線可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)并不一定就是大地電位。

接地的作用可以劃分為兩種：一種是指為了保護(hù)人身安全和設(shè)備運(yùn)行不受損害的接地措施叫作保護(hù)接地。保護(hù)接地就是在DCS 系統(tǒng)中的金屬外殼都處于大地點(diǎn)位，以此起到保護(hù)設(shè)備和人身安全的目的，所以必須確保金屬外殼和地之間形成回路，除此保護(hù)接地還可以防止靜電的目的。保護(hù)地線應(yīng)接至廠區(qū)電氣接地網(wǎng)或設(shè)備所在地的建筑地上，接地電阻應(yīng)小于4Ω。保護(hù)接地又分為防電擊接地、防雷接地和防電蝕接地[2]。另一種是功能性接地：功能性接地是為了提高系統(tǒng)的抗干擾，為了使DCS 以及與其所連接的儀表可靠運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，功能性接地可以分為工作接地、邏輯接地、信號(hào)回路接地、屏蔽接地。

工作接地：為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行，防止系統(tǒng)震蕩，保證繼電保護(hù)的可靠性，在直交流電力系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)胤竭M(jìn)行接地。

邏輯接地：為了確保穩(wěn)定的參考電位，將電子設(shè)備中的適當(dāng)金屬件作為邏輯地，一般采用金屬底板作邏輯地。

信號(hào)回路接地：是各儀表設(shè)備，測(cè)量變送裝置的負(fù)端接地，開(kāi)關(guān)量信號(hào)的負(fù)端接地等；信號(hào)回路地是DCS 系統(tǒng)對(duì)外界信號(hào)輸入、輸出的信號(hào)基準(zhǔn)參考電平，為了減少干擾電平對(duì)信號(hào)回路的影響，統(tǒng)一基準(zhǔn)電平的前提是現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)源裝置及DCS 系統(tǒng)的IO 電路對(duì)地處于同一電位。

屏蔽接地：也稱(chēng)為模擬地，將電氣干擾源引入大地，抑制外來(lái)電磁干擾對(duì)電子設(shè)備的影響，也可減少電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾影響其他電子設(shè)備[3]。這種接地方法可以屏蔽DCS 采集信號(hào)傳輸所受到的干擾，提高采集信號(hào)的質(zhì)量和精度。

4 實(shí)施效果

DCS 控制系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定運(yùn)行及干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，本文僅以某公司兩起事件介紹了DCS 控制系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定運(yùn)行及干擾產(chǎn)生的原因及應(yīng)對(duì)對(duì)策，通過(guò)正確分析DCS 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)干擾源的來(lái)源、種類(lèi)、易存在干擾源的部位，及如何應(yīng)對(duì)干擾對(duì)DCS 控制系統(tǒng)的影響，綜合運(yùn)用接地及隔離等對(duì)策，保證DCS 系統(tǒng)及本特利3500 軸瓦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，高效發(fā)揮DCS 控制系統(tǒng)在化工生產(chǎn)過(guò)程中的監(jiān)視、控制等作用。