发电厂控制系统抗干扰问题研究

一、概述    随着发电厂控制技术的不断发展，目前分散控制系统（DCS）、可编程控制系统（PLC）、现场总线（FCS）技术在发电厂生产过程控制中得到广泛的应用。控制系统的可靠性直接影响到发电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。自动化系统中所使用的各种类型控制设备，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高控制系统可靠性，一方面要求生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能 二、干扰源对系统的干扰 2.1干扰源及干扰分类    影响控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。    干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。 2.2 控制系统中电磁干扰的主要来源 2.2.1 来自空间的辐射干扰    空间的辐射电磁场（EMI）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、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若系统置于射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对控制设备内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对控制设备通信网络的辐射，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，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 2.2.2 来自系统外接线的干扰    主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在发电现场较严重。因为发电厂是强电场和强电磁场密集的地方。 2.2.2.1来自电源的干扰    实践证明，因电源引入的干扰造成控制系统故障的情况很多，由于控制系统的供电大都来自电厂的供电网络，其覆盖全厂，电网内部的变化，如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过配电线路传到电源。控制电源通常采用隔离电源，但其结构及制造工艺因素使其隔离性能并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。 2.2.2.2来自信号线引入的干扰    与控制系统连接的各类信号（信号线和控制指令线）传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。 2.2.2.3来自接地系统混乱的干扰    接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使系统将无法正常工作。    控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。    此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响逻辑电路和模拟电路的正常工作。逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起信号测控的严重失真和误动作。 2.2.3来自系统内部的干扰    主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。 三、工程实施中主要抗干扰措施    为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。    控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具体情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。主要考虑来自系统外部的几种抑制措施。主要内容包括：对系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是要远离动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。 3.1采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰    在控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。此外，为保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。 3.2电缆敷设    为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。笔者在某工程中，采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，从而降低了动力线产生的电磁干扰，该工程投产后取得了满意的效果。不同类型的信号及控制电缆分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类与动力电缆分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。另外对于信号电缆及控制电缆应采用屏蔽电缆 3.3硬件滤波及软件抗干扰措施    信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。由于电磁干扰的复杂性，要根本消除硬件干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。 3.4正确选择接地点，完善接地系统    发电厂控制系统的接地对控制系统抗干扰尤为重要，接地方式的好坏将直接影响控制系统的性能。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。    3.4.1 PLC控制系统接地：PLC控制系统属于高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用并联一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10 ~ 15m远处，且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。    在PLC控制系统中，具有多种形式的“地”，主要有：    信号地：是输入端信号元件－传感器的地    交流地：交流供电电源地N线，通常是产生主要噪声的地方    屏蔽地：一般为防止静电、磁场感应而设置的外壳或金属丝网，通过专门的铜导线将其与地相连。    保护地：一般将机器设备外壳或设备内独立器件的外壳接地，用以保护人身安全和防护设备漏电。    3.4.2 DCS系统的接地：计算机控制系统中的“地”有两类。其一是模拟地，设备的外壳及屏蔽层，通常与大地相连。接地的目的一是避免机壳带电而影响人员及设备的安全，二是保持机壳及屏蔽层与大地等电位，起到屏蔽外部电磁场干扰的作用。另一类是数字地，电源或信号的参考地。在微机控制系统中，既有模拟量信号，又有数字量信号，还有电源（直流）电压的地端，这些信号的地最终就是直流电源的地。为防止公共阻抗产生的干扰，采用“汇流条分别走线”进行处理，即在电路中把模拟地与数字地分开，采用汇流条分别走线，最终在一点把两个地接在一起。信号的屏蔽层采用单点接地原则，可以防止不同接地点之间的电位差（Ucm）通过屏蔽层形成电流回路，产生干扰。    不同型式的DCS系统对接地要求不同，但归根结底是满足“一点接地”的要求。整个接地系统最终只有一点接到接地网上，并满足接地电阻的要求。DCS系统的接地要求应该是确定的、完整周全的，不能为迎合用户的不同要求而改变。    电厂环境下，要求DCS有较强的抗干扰能力，用户希望接地方式及接地电阻的要求宽松一些。但只有严格按厂家要求实施系统接地，才可保证系统稳定运行，也方便在某些故障情况下尽早排除不良接地因素。    下面以沁北电厂控制系统（Symphony）接地特点为例进行分析：    本工程不设置单独的DCS接地系统，Symphony系统的过程控制柜之间通过接地电缆串联，最终点由电源机柜处单点接到电气接地网，接地点半径5米内无大电流、电压启停设备的接地点，要求整个接地线缆至接地点的电阻小于5Ω。从电源至分配盘及从分配盘至模件柜的供电电缆应使用3芯电缆，分别作为火线、中线和地线，中线与地线在电源出口处短接，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（见注2），除此以外中线和地线在其他任何地方都不应再短接。使用双路电源时，两个电源最好在同一点接地。控制机柜接地见下图。                    3.4.2.1 Symphony系统中，无论是单元机组的环路设备还是公用系统环路设备，其接地均较为简单。即使其物理位置分散，也不需要单独的接地网。Symphony系统的接地系统包括两部分：一路为交流地(安全地)系统，它为故障和高频噪声提供了一个低阻抗的排泄通道，并使设备外壳保持与地等电位，保证人员不受电器伤害。一路为直流地(信号地)系统，它为数字式过程控制系统建立一个零参考电位，同时能有效消除高频噪声。    3.4.2.2 接地极使用厂内的地网地极，它是与大地良好接触的导体，通常使用埋入地下的—根或一组铜棒。Symphony系统要求接地极的电阻小于5欧姆。接地极距建筑物及接地极之间的距离应不小于接地极的长度；与建筑地极或其他地极要大于5米；距离避雷针地极、大型电力设备的地极，大型开关设备、旋转机械或其它干扰源应大于10米。地极上不能连接其它设备。在严寒地区，接地极必须延伸到冻土层以下。    3.4.2.3 连接控制系统与接地极的接地导体使用多芯绝缘铜导线，在150米电气距离内，接地线的截面参见相关要求。用户应根据现场的具体情况决定。    3.4.2.4 接地导线与地极不要使用螺栓连接，应该采用焊接方式。以避免振动、腐蚀、金属热胀冷缩等造成接触不良。Symphony系统内各机柜柜体应与金属安装底座有可靠的电气连接(可采用焊接法安装机柜或螺栓连接辅以点焊)，金属安装底座必须与整个建筑的接地系统有可靠的连接。    3.4.2.5 Symphony系统要求采用独立的220VAC供电电源。即当采用厂用电源或保安电源供电时，用户应加隔离变压器。在分配盘的电源进线处，接地线与中性线须可靠短接，接地线与火线、中线同时布线接至Symphony系统用电设备的接线端子。    3.4.2.6 对于没有电源输入的设备，如I／O端子柜，应采用绝缘铜导线将机柜接地螺栓与其供源的相邻模件柜的接地螺栓相连。机柜安装底座应与机柜等电位。    3.4.2.7交／直流接地可共用一个接地极，当采用二个接地极时，其间的电阻应小于l欧姆。各控制柜的交流地、直流地分别以星形接地方式汇集，最后接入同一地网(本工程为全厂电气接地网)。接地电阻要求小于5欧姆。    3.4.2.8在机柜底部有直流公共排以供连接直流接地，此直流公共排在机柜内与交流地和机柜是隔离的。以与直流接地极相连的接地排为中心，星型连接各个模件柜的直流公共排。各端子柜与其相应的模件柜也用星型接法连接。    3.4.2.9在有布置远程机柜的系统中，远程机柜可使用自己的接地极，但接地要求是一致的，该接地极应与DCS主接地极在同一个地网上。    3.4.2.10外部信号接线和屏蔽线与接地有关。屏蔽线应该只在单端接地，在机柜侧接地时接至机柜两侧的屏蔽棒上，该屏蔽棒与交流安全地连接在一起。 五、总结    控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使控制系统正常工作。