顧德東，管洪強

(深能合和電力有限公司，廣東河源517025)

現(xiàn)代火電廠的生產(chǎn)過程正在向著大型化、連續(xù)化和自動化方向發(fā)展，如何保證分散控制系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運行就顯得至關(guān)重要。隨著分散控制系統(tǒng)集成化程度不斷地提高，控制系統(tǒng)所使用的測量儀表、輸入和輸出設(shè)備日漸增多。分散控制系統(tǒng)所要處理的信號電壓類型更為復雜多樣，線路所傳遞的信號電流也越來越小。抗干擾能力已經(jīng)直接關(guān)系到分散控制系統(tǒng)能否可靠運行，而分散控制系統(tǒng)的可靠性又直接影響到火力發(fā)電機組的安全和穩(wěn)定運行，因此必須采取有效措施提高分散控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

1 干擾的主要來源

干擾的來源有很多種，可能來自外部環(huán)境，也可能來自內(nèi)部的電子元件。對于火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)，其干擾源主要包括以下三種。

1.1 電源的干擾

分散控制系統(tǒng)的電源一般取自廠用電系統(tǒng)。電廠中大型電力設(shè)備的啟停、負載電流的快速變化等都會產(chǎn)生諧波、暫態(tài)沖擊等干擾，可能會導致分散控制系統(tǒng)的邏輯電路誤動作，影響其正常工作。

1.2 信號傳輸通道的干擾

因為計算機所能處理的信號為數(shù)字量，所以從生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備中采集的數(shù)據(jù)信號需要經(jīng)過大量的數(shù)字量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道。從生產(chǎn)現(xiàn)場架設(shè)電纜到控制室，電纜長度都在百米之上，這些通道在完成數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換的同時，不可避免地將干擾引進了系統(tǒng)。

1.3 各類電磁干擾

電氣設(shè)備的啟停瞬間、雷電、無線電通信信號、雷達、變頻設(shè)備所產(chǎn)生的電磁輻射均會對電子設(shè)備、傳輸通道和系統(tǒng)硬件設(shè)備的性能帶來不良的影響。

2 硬件系統(tǒng)的可靠性和抗干擾措施

從分散控制系統(tǒng)的硬件方面加強抗干擾能力，主要措施有消除干擾源和切斷傳播途徑。

2.1 穩(wěn)定的工作電源

分散控制系統(tǒng)采用的供電電源一般隔離性能較好，耦合進入的干擾也很小。對分散控制系統(tǒng)造成干擾的因素主要是變送器的供電電源和與分散控制系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源。由于此類電源的隔離變壓器分布參數(shù)大，抗干擾能力差，容易將電源干擾通過信號傳輸途徑引進分散控制系統(tǒng)。不間斷電源是分散控制系統(tǒng)常用的一種電源，它能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，并用蓄電池儲存起來。使用時，通過逆變器為計算機可靠供電。此種交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)，使得分散控制系統(tǒng)中的設(shè)備具有很強的抗電網(wǎng)干擾能力。因此，可以采用不間斷電源對電子計算機、測量變送器和公用儀表系統(tǒng)進行供電。

2.2 抑制信號傳輸通道的干擾

火電廠分散控制系統(tǒng)中，接地是抑制干擾的主要措施之一。在設(shè)計和施工中，如果能夠?qū)⑾到y(tǒng)接地與信號電纜屏蔽有機地結(jié)合起來使用，使得干擾信號的傳輸通道被切斷，則可解決大部分干擾問題。

2.2.1 信號電纜屏蔽層接地

對于需要遠距離傳輸?shù)男盘枺梢赃x用屏蔽線、同軸電纜和屏蔽雙絞線等。屏蔽接地能夠使屏蔽層上的感應(yīng)電流、電壓和靜電電荷通向大地，起到很好的抗電磁干擾效果。當信號電纜中間有接頭時，兩條電纜的屏蔽層在接頭處應(yīng)妥善連接，并將屏蔽層裸露部分用絕緣膠帶包好，以防多點接地。必須注意的是，分散控制系統(tǒng)中的信號電纜屏蔽層必須在計算機側(cè)一點接地，如圖1所示。如果電纜屏蔽層兩端都接地，當發(fā)生異常狀態(tài)，如雷擊時，就存在地電位差，兩點間將有大電流通過。

圖1 控制電纜在機柜側(cè)接地

圖2 現(xiàn)場安裝的信號隔離器

2.2.2 設(shè)備安全地的連接

安全地指的是設(shè)備的金屬外殼與大地相連的接地線。安全地可以防止電荷積累，電壓升高或者是系統(tǒng)本身絕緣破壞對人員造成傷害。由于信號線走線槽或電纜管，在雷雨多發(fā)季節(jié)里，因雷擊所造成的干擾可能沿槽架進入控制系統(tǒng)。某廠化學水處理控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡件曾多次因雷擊而損害，導致控制系統(tǒng)通訊中斷。針對雷擊電流的干擾，可采取多項措施相結(jié)合的方式處理。首先，將電纜槽架使用焊接銅棒多點接地，盡量使雷擊電流能夠被快速引導至大地。其次，信號傳輸電纜的屏蔽層在計算機側(cè)單點接地，避免形成干擾電流通道。再次，在信號傳輸線路中安裝信號隔離器，如圖2所示。一旦發(fā)生雷擊，信號隔離器將承受大部分的強電流影響，從而保護了更為重要的控制器免遭雷擊損壞。

2.3 信號輸入端硬件濾波

火電廠中所使用的電纜數(shù)量大，分布廣，雖然各動力電纜和控制電纜按照分層布置的原則鋪設(shè)，但是仍然難免大型電力設(shè)備啟停時的強烈電磁對信號傳輸造成的干擾。某廠曾發(fā)生模擬量控制系統(tǒng)多個溫度測點跳變的情況，通過使用示波器觀察傳輸信號可以發(fā)現(xiàn)直流信號中疊加了較強的交流分量。在生產(chǎn)現(xiàn)場不存在動力電纜和控制電纜交叉鋪設(shè)的情況下，一般認為造成溫度信號波動的原因可能是電纜某處絕緣受損，使信號傳輸過程中引入了交流分量。為去除雜散電流干擾，可以在溫度測點端口并聯(lián)安裝電容濾波裝置(如圖3所示)。因為電容具有阻直流、通交流的特性，所以并不會對原模擬量輸入端口造成影響。通過比較，安裝電容的測點比未安裝電容的測點抗干擾能力更強，溫度信號測量結(jié)果更加穩(wěn)定(如圖4所示)。這項措施不僅消除了干擾影響，同時有效地防止了分散控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡件因竄入交流電流而損壞。

圖3 安裝在模擬量輸入端口的電容

圖4 安裝電容后溫度測量穩(wěn)定

3 軟件系統(tǒng)的可靠性和抗干擾技術(shù)

所謂軟件抗干擾技術(shù)，就是通過程序?qū)ΜF(xiàn)場檢測信號進行處理，以排除干擾對控制系統(tǒng)的影響。常用的軟件系統(tǒng)抗干擾措施采用數(shù)字濾波。數(shù)字濾波是通過一定的數(shù)學算法從數(shù)據(jù)序列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的一種軟件方法。

3.1 限幅濾波

某廠凝結(jié)水泵、汽動給水泵及其前置泵、開式水泵、閉式水泵的軸承溫度測點多次發(fā)生跳變的情況。通過在溫度測量邏輯中加入速率限制和差值限制，同時保留原來高限跳泵保護(如圖5所示)，取得了良好的切除干擾的效果。其基本思想是通過速率限制功能塊作用，將相鄰的n和n+1時刻兩個采樣值Y(n)和Y(n+1)值相減。如果差值過大，超出了參數(shù)允許的最大限值，則認為發(fā)生了隨機干擾，邏輯利用SR觸發(fā)器記錄此情況，并自動退出跳泵保護，通過報警提示運行人員加強監(jiān)視，從而避免溫度保護誤動作而引起的水泵跳閘。

圖5 整改后的溫度跳閘保護控制邏輯

3.2 中值濾波

中值濾波能夠有效地克服因偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等造成的脈沖干擾，適用于變化緩慢的參數(shù)測量。典型應(yīng)用就是模擬量控制系統(tǒng)進行測量值三選中的邏輯功能(如圖6所示)。

圖6 測量結(jié)果三選中邏輯

TSTQ模塊的作用:當信號發(fā)生壞質(zhì)量情況時，該模塊能夠產(chǎn)生正脈沖。T模塊的作用:根據(jù)使能端狀態(tài)，自動選擇輸出值等于輸入值1或者是輸入值2。在上述邏輯圖中，當?shù)谝粋€通道的TSTQ模塊檢測到此信號壞質(zhì)量后，輸出由原來輸出“0”變?yōu)椤?”，此布爾量作用在T模塊的使能端，則T模塊輸出值由原來的1變?yōu)?，使輸出結(jié)果變?yōu)槿コ龎馁|(zhì)量信號后，其余兩個正常信號的算術(shù)平均值，從而達到消除干擾的目的。經(jīng)過處理的三個測量信號兩兩進行取大值比較后再進行取小選擇值，就能夠完成測量值三選中的邏輯功能。

3.3 算術(shù)平均濾波

基本原理是通過對某點數(shù)據(jù)進行多次測量，取其平均值作為該點的結(jié)果(如圖7所示)。某廠省煤器出口給水壓力有兩個測量值，在分散控制系統(tǒng)邏輯中進行了加權(quán)相加，設(shè)定每個測量值的權(quán)重是0.5，相當于取兩數(shù)的平均值作為省煤器出口給水壓力。此措施不僅能夠減少周期性干擾對采樣結(jié)果的影響，而且對隨機干擾的信號具有顯著的濾波效果。當一個測量值出現(xiàn)較大波動時，還能將其權(quán)重設(shè)為0，另一個測量值權(quán)重設(shè)為1。故障情況下，仍然能夠臨時提供過程測量數(shù)據(jù)，保證分散控制系統(tǒng)的自動投入和連續(xù)運行。

圖7 省煤器出口壓力選擇邏輯

4 總結(jié)

由于發(fā)電廠設(shè)備眾多且啟停頻繁，由此造成的干擾不僅種類多，而且傳播方式和途徑都不盡相同。長期以來，這些干擾對分散控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、信號處理造成了極大的影響，嚴重的情況會導致機組跳閘保護動作，電力生產(chǎn)的中斷。在實際檢修工作中，從儀表選型、電纜屏蔽、數(shù)字濾波等硬件和軟件設(shè)計方面對分散控制系統(tǒng)抗干擾問題給予充分的考慮，在可能引入干擾的回路，設(shè)置各種數(shù)字濾波和隔離措施，有效防止干擾引起分散控制系統(tǒng)誤動作或設(shè)備損壞，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證分散控制系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定地運行。

［1］ 張勇明.探討DCS控制系統(tǒng)的接地問題及防護［J］.硅谷，2011，(1).

［2］ 盧銘慶.控制系統(tǒng)電源設(shè)計可靠性分析及改進［J］.江西電力，2005，(6).