何芬

摘要：當(dāng)前微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀控系統(tǒng)大量應(yīng)用， 而該系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠工作， 主要取決于供電和EMC設(shè)計(jì)， 也包括對電氣專業(yè)提資的準(zhǔn)確性。鑒于此， 針對儀表工程設(shè)計(jì)中自控和電氣專業(yè)在供電和電磁兼容兩方面的配合進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：自控;電氣;供電;電磁兼容;不間斷電源;屏蔽;等電位;接地

1 儀表及控制系統(tǒng)供電

除大容量不間斷電源 （UPS） 和電動(dòng)閥門可能需要交流380 V供電外， 儀控系統(tǒng)的工作電源一般為直流24 V和交流220 V。直流24 V由自控專業(yè)通過開關(guān)電源將交流220 V轉(zhuǎn)換獲得， 交流220 V和380 V均由電氣專業(yè)提供。自控專業(yè)對電源的要求須作為條件提交給電氣專業(yè)， 如：電源容量、電源類型 （工作電源或不間斷電源） 、電源回路數(shù)、電源電壓等級(jí)、電源質(zhì)量、UPS供電持續(xù)時(shí)間及電源切換時(shí)間要求等。

1.1 負(fù)荷分級(jí)

對于供電電源的要求， 首先要看電源突然中斷時(shí)會(huì)造成怎樣的后果。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的負(fù)荷分級(jí)及供電要求， 某些重要的化工生產(chǎn)裝置儀控系統(tǒng)中斷運(yùn)行會(huì)打亂工藝流程， 發(fā)生中毒或爆炸事故， 此類項(xiàng)目的儀控系統(tǒng)為一級(jí)負(fù)荷， 需要雙重電源供電;一般污水處理站， 其儀控系統(tǒng)中斷運(yùn)行會(huì)引起排放水質(zhì)不達(dá)標(biāo)而引起環(huán)境污染及被罰款等較大經(jīng)濟(jì)損失， 故屬于二級(jí)負(fù)荷， 需由兩回線路供電。

1.2 電源容量計(jì)算

電源容量應(yīng)按儀表及控制系統(tǒng)的負(fù)荷性質(zhì)分別統(tǒng)計(jì)。如被定性為二級(jí)負(fù)荷的污水處理站， 儀控系統(tǒng)負(fù)荷按供電切換時(shí)間主要分為兩大類， PLC或DCS與上位機(jī)組成的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由UPS供電， 執(zhí)行器、現(xiàn)場檢測儀表由普通雙電源供電。普通雙電源容量應(yīng)按計(jì)算負(fù)荷的1.2～1.5倍選取;UPS容量除應(yīng)滿足負(fù)載總?cè)萘浚?還應(yīng)考慮可靠系數(shù)及功率因數(shù)。

1.3 應(yīng)急供電持續(xù)時(shí)間選擇

HG/T 20509—2014《儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》要求后備電池供電時(shí)間不小于30 min。DL/T 5226—2013《發(fā)電廠電力網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》也規(guī)定蓄電池備用時(shí)間不小于30 min。以上述規(guī)范為參考， UPS持續(xù)供電時(shí)間確定的依據(jù)是能確保安全停工及處理事故， 不致造成人身傷害和重大經(jīng)濟(jì)損失， 設(shè)為30 min。對于三級(jí)負(fù)荷， 采用UPS供電只是為了保證電源質(zhì)量， 應(yīng)急供電持續(xù)時(shí)間可以低于30 min， 也可以不考慮后備時(shí)間。為了保證儀表及控制系統(tǒng)供電， 向電氣專業(yè)提資時(shí)， 須根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)決定切換時(shí)間和電能質(zhì)量， 如帶蓄電池要交待持續(xù)供電時(shí)間;對電力系統(tǒng)主進(jìn)線提出要求， 使儀控系統(tǒng)供電能得到穩(wěn)定可靠的保證。

2 儀表及控制系統(tǒng)的電磁兼容

污水處理及化工裝置的儀控系統(tǒng)不時(shí)會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作或者模塊損壞的情況， 它們大多是由電氣設(shè)備的開關(guān)操作、雷擊放電或接地混亂造成的。由于儀控系統(tǒng)往往采用超大規(guī)模的集成電路， 防電磁干擾的能力很弱， 這就涉及到EMC的問題。

2.1 EMC含義

EMC包含兩方面的內(nèi)容：一是指設(shè)備在電磁環(huán)境中能夠正常工作， 二是設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁源不會(huì)影響周圍設(shè)備的正常運(yùn)行。這是個(gè)系統(tǒng)工程， 一方面要求設(shè)備制造商提高產(chǎn)品的抗干擾能力， 另一方面也要求在工程設(shè)計(jì)和安裝施工等過程中采取措施。

2.2 干擾源及抑制措施

干擾源主要通過輻射和線路傳導(dǎo)引入。儀表和控制系統(tǒng)的輻射電磁干擾主要由閃電和電力系統(tǒng)產(chǎn)生， 線路傳導(dǎo)干擾主要是由電源線、信號(hào)線和接地系統(tǒng)混亂產(chǎn)生的。除了自控專業(yè)本身需要采用隔離、電涌保護(hù)、雙絞線、屏蔽及接地等抗干擾措施外， 還須重視與電氣專業(yè)的配合。兩專業(yè)在EMC方面的配合主要體現(xiàn)在屏蔽、等電位和接地。

隨著電子信息系統(tǒng)的廣泛使用， GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》增加了對電子設(shè)備的防電磁脈沖的要求， 并提出了具體的指導(dǎo)意見：屏蔽、接地、等電位。雷電電磁脈沖與電氣設(shè)備操作產(chǎn)生的電磁脈沖相比， 除了強(qiáng)度較大外， 其他方面包括入侵途徑都大同小異。故該標(biāo)準(zhǔn)提出的防雷電電磁脈沖措施也適用于抑制操作電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁脈沖效應(yīng)。

2.2.1 屏蔽

2.2.1.1 防雷區(qū)劃分：按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的思路， 按雷擊電磁場強(qiáng)度衰減程度的不同來劃分防雷區(qū)， 如LPZ1、LPZ2、…、LPZn等， 數(shù)字越大， 電磁場衰減效果越好， LPZ0區(qū)定義為電磁場強(qiáng)度未衰減區(qū)。對于處在室外的儀表設(shè)備， 設(shè)備廠家會(huì)解決EMC問題。而控制室都設(shè)在室內(nèi)， 且控制室與現(xiàn)場儀表之間的電纜連接往往通過封閉金屬線槽或保護(hù)鋼管全程相連， 儀表和控制系統(tǒng)不可能處于直接雷擊場合， 故LPZ0區(qū)不作考慮。

2.2.1.2 屏蔽效果計(jì)算：對控制室所在的建筑物來說， 電氣專業(yè)會(huì)盡量利用建筑物的金屬框架、混凝土中的鋼筋、金屬墻面等自然金屬部件與防雷裝置連接， 構(gòu)成格柵型大空間作為屏蔽。自控專業(yè)要校驗(yàn)其能否滿足機(jī)房內(nèi)控制系統(tǒng)的電磁環(huán)境要求， 如果不滿足， 通過加密格柵來解決。格柵的間距由自控專業(yè)提給電氣專業(yè)。以格柵間距為5 m為例進(jìn)行校驗(yàn)， 控制室內(nèi)的天花板、墻、樓板、防靜電地板等所用的鋼筋或鋼支架至少每隔5 m與接地系統(tǒng)焊接。網(wǎng)格的屏蔽效果可以通過GB50057—2010提供的公式進(jìn)行校檢：

我們不難算出格柵網(wǎng)格寬度為5 m的SF值為4.6 d B， 這意味著， 通過5 m間距組成的格柵型網(wǎng)格， 可使電磁場減小到原來的0.59倍。假設(shè)室外的電磁場強(qiáng)度為2 k A/m， 則按5 m間距的格柵型網(wǎng)格可以使室外電磁場強(qiáng)度減少為1.18 k A/m， 不符合有關(guān)規(guī)范要求。參考GB/T 17626.9-2011《電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)脈沖磁場抗擾度試驗(yàn)》的試驗(yàn)等級(jí)要求， 等級(jí)為3的脈沖磁場強(qiáng)度值為100 A/m。由于PLC或DCS控制系統(tǒng)都安裝在金屬結(jié)構(gòu)的控制柜內(nèi)， 一般控制室磁場強(qiáng)度可要求不超過300 A/m。如室外電磁強(qiáng)度為2 k A/m， 可按式 （1） 、式 （2） 計(jì)算出屏蔽網(wǎng)格寬度為1 m能滿足要求。

2.2.2 等電位和接地

一般控制室所在的建筑物， 電氣專業(yè)采用的接地型式是共用接地系統(tǒng)， 則控制室內(nèi)做等電位時(shí)， 在其機(jī)房四周設(shè)置等電位連接帶， 該等電位連接帶利用機(jī)房內(nèi)墻的結(jié)構(gòu)柱主鋼筋或自設(shè)接地引上線等與接地系統(tǒng)在不同方向至少兩處相連。但要注意， 不得直接與防雷引下線相連。同時(shí)， 控制室內(nèi)預(yù)留一個(gè)或多個(gè)接地端子板與等電位帶相連， 方便機(jī)房內(nèi)的控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要接成S型、M型或它們的組合等電位結(jié)構(gòu)。進(jìn)出控制室時(shí)， 儀表電纜屏蔽層、金屬管道、金屬橋架應(yīng)作等電位連接， 同時(shí)工作芯線通過浪涌保護(hù)器與該等電位帶或等電位端子相連。對于現(xiàn)場儀表等設(shè)備， 在儀表集中處預(yù)留接地端子板， 方便對其進(jìn)行接地。

3 結(jié)語：

當(dāng)前微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀控系統(tǒng)大量應(yīng)用， 而該系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠工作， 主要取決于供電和EMC設(shè)計(jì)， 也包括對電氣專業(yè)提資的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范：HG/T 20509—2014[S].

[2]UPS與EPS電源裝置的設(shè)計(jì)與安裝：15D202-3[Z].