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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流DCS系统接地与抗干扰问题浅析.精品文档.DCS系统接地与抗干扰问题浅析发帖人: anderson 点击率: 2246 摘要：接地系统在DCS安装和应用过程中是很重要的一环，很多令人费解的故障现象往往都是系统接地不好引起的，不同DCS厂家对接地系统的要求和接法又都不一样。本文主要介绍了OVATION和INFI-90接地系统的主要特点，并对北仑电厂因接地或信号干扰引发的问题及处理过程进行了分析，对其它电厂在DCS系统接地或抗干扰方面的故障处理具有一定的指导意义。关键词：DCS控制系统；接地；分析1 前言随着科学技术的发展，DCS在工控制中的应用
2、越来越广泛。DCS控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。而DCS接地系统的可靠性，又在很大程度上决定了该系统抗干扰能力的强弱。一般认为，DCS接地系统应该具备二种功能：1、当进入DCS系统的信号、供电电源或DCS系统设备本身出现问题时，能有效地承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地。2、接地系统应能够为DCS提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整个控制系统提供公共信号参考点，即参考零电位。为了满足上述功能，DCS系统一般具有2个接地，即保护接地和工作接地：1）保护接地保护接地是将DCS中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳
3、等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。2）工作接地工作接地是为了使DCS以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。不同资料对工作接地的分类和表述不同，一般分为逻辑地、信号地、系统地和屏蔽地。a、逻辑地：也叫主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等电源的输出地。b、信号地：也叫信号回路地，是现场返回信号的负端。当DCS给现场提供24VDC时，且AI、AO为非隔离式，信号地就是系统地。当由其他设备提供电源时，根据信号源原理决定是否接入公共接地极。c、系统地：也叫系统基准地，通常也是系统电源地，是为DCS信号提供的一个基准点。在DCS中系统地就是
4、给模件供电的24VDC或5VDC的电源地。对于通道隔离的I/O模块应用场合，它与信号地是有区别的，因为两者没有电气联系。系统地接地比较复杂，一般要考虑如下几种情况：1）信号在现场侧已经接地的情况；2）系统I/O的输入、输出在现场接入同一装置（而装置的电路原理不明确）的情况。d、屏蔽地：也叫模拟地，是为了避免电磁场对仪表和信号的干扰而采取的屏蔽网接地。屏蔽地的接法电气和仪控专业是有争议的，电气一般要求电缆屏蔽线二端接地，而仪控要求电缆屏蔽层必须一端接地，以防止形成闭合回路干扰。铠装电缆的金属铠不应作为屏蔽保护接地，必须是铜丝网或镀铝屏蔽层接地。接入公共接地极。除了上述几种接地外，在很多场合下容易
5、引起混乱的还有一个供电系统地，也叫交流电源工作地，它是电力系统中为了运行需要设的接地(如中性点接地)。2OVATION接地系统分析1）OVATION系统接地特点北仑发电厂一期2台600MW机组原控制系统为ABB TAYLOR公司的MOD300集散型控制系统，在2004年和2005年检修期间，成功完成了2台机组的DCS改造工作，把原来的MOD300系统彻底改造为美国西屋公司的OVATION系统，OVATION系统典型接地图如下：OVATION系统接地主要特点如下：a) 系统必须单点接地。b) 机柜（包括远程I/O柜）在安装时都要求装绝缘垫，机柜和地之间的电阻在5兆欧以上。c) 一般以控制器为单位
6、，每个控制器的机柜要求所有保护地（CG）串联，工作地（PG）以电源卡为单位串联，最终在中心机柜的电源分配模件中与保护地连接，最终接入接地系统汇流排,由汇流排再接入DCS专用的接地地桩。d) OVATION系统要求配置独立的DCS接地地桩，不能与其它系统共用。e) 机柜到接地地桩的电阻不能大于1欧姆，并尽量使接地电缆最短。f)远程柜一般也要求接入DCS的接地汇流排，但如果距离比较远，且附近没有大的电机设备，可以就近接地。g) 操作员站机柜不要求装绝缘垫，保护地也不能接入DCS接地系统的汇流排，应该就近接地。2）我厂因接地或干扰原因曾引起的设备异常我厂OVATION系统投入使用已将近3年，系统运行
7、一直比较稳定。在设备安装和运行初期，曾发生过由于接地和干扰原因引起的异常，所幸的是没有导致机组跳闸或主设备跳闸。具体情况介绍如下：a、热电偶信号二端接地在1号机组DCS改造期间，OVATION系统上电后，我们就发现600个左右的热电偶信号中有大约200个信号白天在大幅跳跃，而到了晚上这些信号的跳跃幅度就会小很多。曲线如下图：我们对此百思不得其解，做了很多试验，都没能解决这个问题，后来我们检查发现这些跳跃的热电偶负端现场都是接地的。查阅热电偶方面的手册发现，其实热电偶可以分为2大类：搭壳式和非搭壳式，搭壳式热电偶的负端与外面的保护管是导通的，而非搭壳式热电偶的负端与外面的保护管是绝缘的。国内的热
8、电偶绝大多数是非搭壳式的，而国外的热电偶搭壳式的比较多，北仑电厂的1、2号机组为进口机组，因此搭壳式的热电偶比较多。而根据OVATION热电偶卡的结构，其负端在DCS侧是接地的，这样导致热电偶二端接地，由于现场的地与DCS的地之间存在着电势差，而且这个电势差是不稳定的，特别白天现场施工人员比较多，电动设备的启停也比较频繁，导致了热电偶信号的大幅跳跃。查阅OVATION的相关资料，我们找到了最终的解决办法。其实OVATION系统为了解决这个问题，专门在热电偶的特性模件内部设置了2个跨片（见图一和图二）。只是设置比较麻烦，需要把特性模件从插槽上取下来，并打开外面的塑料壳才能进行。根据西屋公司的要求
9、，如果热电偶负端现场不接地，那么屏蔽线必须在OVATION侧单端接地，二个跨片必须同时保留。如果热电偶现场接地，那么屏蔽线也必须在现场接地，二个跨片必须同时去掉。但由于是改造机组，原来安装的热电偶屏蔽线都是DCS侧接地，现场的接地线已经被剪掉了，处理起来非常困难，后来我们采用了一种折中的方案：凡是参与控制的热电偶信号，都严格按照西屋公司的标准来做，但对于DAS信号，如果热电偶是搭壳式的，特性模件中只去掉一个跨片，即热电偶现场接地，而屏蔽线OVATION侧接地。经过近3年的观测，效果不错，精度也基本符合要求，没有因为接地方式的不同出现问题。由于现场环境比较恶劣，有时也会出现热电偶正极或负极接地的
10、情况，在这种情况下，OVATION系统由于自身一侧热电偶接地，就会出现信号大幅跳跃的情况。如果这个信号参与控制，就容易引起设备的误动。作为补救，我们对重要的保护信号，如风机的轴承温度等，在软件中做了相应的逻辑，如果温度信号在一定的时间内变化幅度过大，保护就自动撤出，并有一级报警及时提醒运行人员。b、部分信号大幅晃动2004年10月14日和10月20日，也就是1号机组DCS改造完成后3个月左右，曾发生2次部分信号大幅晃动的现象。晃动的信号有10多个，包含炉膛压力、主蒸汽压力、再热器压力、汽包水位等重要调节信号，导致报警盘“高旁故障”、“主蒸汽压力高”报警，机组控制方式跳至手动，引风机跳至手动，送
11、风机跳至手动，主蒸汽温度控制跳至手动，运行人员撤出给水控制至手动，几经努力，才控制机组稳定运行，没有引起机组跳闸或重要辅机跳闸。每次信号晃动的持续时间大约在15分钟左右，2次晃动的信号基本相同，第2次与第1次相比晃动程度有所减弱，这些晃动信号在晃动前没有任何前兆，而且基本上是同时开始晃动，同时晃动结束。下面是2次晃动过程中部分信号的历史曲线图：2004年10月14日第一次信号晃动历史曲线：事情发生后，厂领导十分重视，专门召集西屋公司专家开会进行分析讨论。从晃动现象来看，DCS网络故障的可能性不大，原因有：a、部分自动控制撤出，说明在控制器一级这些信号已经在大幅晃动。b、晃动的信号全部为模拟量信
12、号，没有数字量信号。如果网络受干扰，数字量信号突变的可能性更大。另外控制器故障的可能性也不大，因为这些晃动的信号分布在不同的控制器，部分晃动信号还分别来自炉侧和机侧的远程I/O柜。因此最大可能是现场信号受到了干扰，但这些信号分布又非常分散，有机侧的信号，也有炉侧的信号，我们对这些信号的屏蔽线、电缆走向和桥架布置进行了检查，没有发现共性的问题，对DCS系统接地系统进行了检查，也没有发现异常情况。由于无法找到确切的干扰源，我们只能怀疑这些信号的大幅晃动来自外界的辐射干扰，这些干扰覆盖整台机组甚至整个电厂。外界的辐射干扰主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热
13、设备等产生的，其分布极为复杂。若DCS系统置于其射频场内，就会收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：a、直接对DCS内部的辐射，由电路感应产生干扰；b、对DCS通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，如果DCS信号的现场设备、电缆走向的布置或相应I/O卡件的固有频率特性与干扰信号一致，就有可能会导致这些信号的大幅晃动。以上仅仅是理论上的推测，为了证实这一点，我们做了如下工作：a、解除了2个不太重要信号DCS侧的接线，使之与DCS系统彻底分离，并接入记录仪，以确认信号晃动与DCS系统是否有关。b、对有晃动信号的I/O卡与没有晃动
14、信号的I/O卡进行互换，以确认信号晃动与I/O卡的特性是否有关。可惜的是这些监测手段保持了半年之久，信号晃动的现象一直没有发生过，直到现在，类似的现象也没有再次发生。因此信号晃动的真正原因目前也只是一个谜。3INFI-90接地系统分析1）INFI-90接地系统特点我厂二期3台600MW机组的控制系统采用的是BAILEY公司的INFI-90分布式控制系统，分别于2000年9月28日、7月8日、7月28日正式投入商业运行。ABB BAILEY公司的接地系统在不断的改进之中，我们厂原来使用的是型接地系统，目前ABB BAILEY公司主推的接地系统为型接地系统。型接地系统交流地与直流地是分开的，直流地
15、要求有单独的接地网。而型接地系统模件柜的交、直流地在内部已连接在一起，不再需要专门的直流接地系统。型接地系统形式如下型接地系统主要特点如下：a、接地系统分为交流地和直流地，交流地包含机柜地和屏蔽地，直流地包含逻辑地、信号地和系统地。交、直流地在机柜内部已连接在一起。b、除非原有的地网不能满足ABB BAILEY公司的标准，一般不需要为DCS系统单独做地极。就算原有地网不能满足要求而作了新的地极，它们也必须与原地网相连，绝对不能使用隔离的接地系统。c、系统供电的电源应该是独立的，不要使用此电源对控制系统以外的设备进行供电。要求供电品质良好，最好能有不间断电源及浪涌抑制装置。供电电源离机柜越近越好
16、，从电源至模件柜电源输入端子的电缆长度应小于50米。d、从电源至分配盘，及从分配盘至模件柜的供电电缆都必须使用3芯电缆，分别作为L线、N线和G线。N线与G线应在电源出口处短接（不能在电源分配柜内），并将此短接点使用扁平接地铜缆连接到最近的可靠的建筑接地系统上，除此以外N线和G线在其它任何地方都不应再短接。使用双路电源时，两个电源必须在同一点接地。e、机柜本体与金属安装底座之间应有可靠的电气连接，推荐使用焊接的方法安装机柜，如果采用螺栓安装，最好在螺栓处与柜体点焊一两下。安装底座要求与整个建筑的接地系统有可靠的连接，如不能保证或无法确定，用扁平接地铜缆将安装底座连接到最近的可靠的建筑接地系统上，
17、铜缆长度应不大于1.8米，越短越好。f、进入机柜的信号线的屏蔽层应单端接地，原则上应在供电方一侧接地，实际应用中一般是热电偶信号在就地侧接地，其他类型信号线的屏蔽层接到机柜内的屏蔽棒上，不接地的一端应作绝缘处理。屏蔽层应该一进入机柜即剥出并接到屏蔽棒上，外露的屏蔽线的长度越短越好（小于25毫米），屏蔽线之间及与其他金属导体间应绝缘。剥出的信号线在机柜内走线时应保持双绞的状态。g、如果有计算机或外部设备与控制系统通过RS-232串口进行通讯，必须进行隔离。h、远程布置的机柜可以有自己的供电和接地系统，但方法和要求与本地柜一致。在多雷击地区，推荐使用光缆进行连接。2）我厂因接地或干扰原因曾引起的设
18、备异常二期INFI-90系统自投运以来，最困扰我们的就是温度信号漂移问题。由于INFI-90系统抗无线电干扰的能力比较差，BAILEY公司对所有的模拟量输入通道加装了隔离器，这也引发了新的问题。部分热电偶和热电阻通道容易引起电荷积累，使送到INFI-90系统的温度信号发生漂移，而且这种漂移很不规则。大部分信号不发生漂移，有些信号漂移很快，一天就可以漂移几度甚至十几度；有些信号漂移很慢，一个月才漂移几度；有些信号向上漂移；有些信号向下漂移。3号机组曾因送风机马达轴承温度信号漂移4次引起风机跳闸，机组发生RB。发生时间为：2001.3.21,FD-3A因风机马达轴承温度漂移跳闸；2001.4.19
19、,FD-3A因风机马达侧轴承温度跳跃跳闸；2001.7.10,FD-3B因电机自由端轴承温度漂移跳闸；2002.1.11, FD-3A因马达靠风机侧轴承温度跳跃跳闸。为了查清温度信号漂移的真正原因，我们还专门成立了QC小组，并做了大量的测试工作，如在端子排上加装电阻和电容等。通过多次现场测试，结合BAILEY公司专家的意见，确定温度信号漂移的主要原因有3点：a)INFI-90系统的接地系统存在问题。b)温度信号的屏蔽线连接有错误。c)接线工艺不好，热电偶电缆使用了接线鼻子，有多处接线松动。针对上述问题，我们在机组检修过程中对INFI-90的接地系统进行了彻底改造，从型接地系统改造成型接地系统，
20、并根据要求增装了隔离变压器。改造后供电系统如下：在0米层的DCS过渡柜和电子室的TU端子柜中，有大量备用电缆和备用屏蔽线未接入端子排，这些电缆二端全是浮空的，像无线电天线一样存在于信号电缆的旁边，对温度测量信号产生干扰。在机组检修过程中，我们把这些浮空信号电缆全部短接起来，然后就近接入TU柜屏蔽接地棒上。除了以上2项主要工作外，我们还做了如下工作：1）现场使用的所有热电偶信号全部为单股硬线，按照规定不应该使用接线鼻子，但我们在检查中发现所有热电偶信号接线都有接线鼻子，在检修过程中已经将所有热电偶信号使用的接线鼻子全部剪掉，直接裸线接线。2）模拟量端子板NRAI01上的屏蔽接线端子应与柜内的屏蔽
21、接线棒相连，但有许多端子板错误地把COM接线端子与屏蔽接线棒相连，使端子板上信号线屏蔽线实际上处于浮空状态。通过逐个检查已经全部进行了改正。端子板上的许多DIP开关设置也不正确，我们也根据有关资料进行了正确设置。3）在机组检修过程中，我们对每个温度信号的现场接线端子进行了认真检查，对接线进行了紧固，并保证使现场接线符合ABB BAILEY公司型接地系统的要求。4）对容易受到干扰或环境比较恶劣区域，如发电机定子冷却水温度和发电机线棒温度等，对现场的接线端子排进行了更换，并进行了加固处理。通过上述处理，二期机组温度信号漂移的问题基本得到了解决。4结束语接地系统在DCS安装和应用过程中是很重要的一环，很多令人费解的故障现象往往都是系统接地不好引起的。但接地系统又是最让人不清楚的，不仅很多用户不清楚，就连DCS厂商的现场服务技术人员也未必特别清楚，不同DCS厂家对接地系统的要求和接法是不一样的，就是同一家DCS，其接地系统也是在不断的改变之中，有关接地系统的说明书或手册的说法往往也不尽相同。本人通过查阅相关资料，并结合北仑电厂DCS的实际应用情况撰写本文，主要目的也是想起到抛砖引玉的作用，引起有关专家的注意，共同探讨，尽快制定出DCS接地系统的标准或规范来，进一步提高控制系统的安全性和可靠性。