石油化工仪表防雷接地系统设计与实现

王 兵

(中国石油大庆炼化公司 聚丙烯厂控制车间，黑龙江 大庆 163000)

石油化工仪表防雷接地系统设计与实现

王 兵

(中国石油大庆炼化公司 聚丙烯厂控制车间，黑龙江 大庆 163000)

为了提高石油化工仪表的防雷安全性，进行防雷接地系统的优化设计，提出一种基于漏感和励磁电感增益分配和检波控制的防雷接地系统设计方法，基于麦克斯韦全电流定理，进行石油化工仪表防雷接地的电磁场分析，以双运放LM358放大器为核心进行石油化工仪表防雷接地系统电路设计，主要包括了交流放大器设计、滤波器设计、检波器设计和直流放大器设计，在检波设计中采用8阶高通滤波器(S3529)并联，提高防雷接地系统的输出运放性能，最后进行系统调试和电路测试；结果表明，采用该系统进行石油化工仪表防雷接地设计，防雷的阻带衰减大于51 dB，对雷击信号具有较好的高通滤波和低通滤波性能，较好地保护了石油化工仪表安全。

石油化工；仪表；防雷接地系统；滤波器；检波器

0 引言

石油化工工业生产中，由于原材料和成品的易燃易爆性，对石油化工仪器的防雷和防静电等方面的安全保护提出了较高的要求，石油化工仪表是进行石油化工生产监测和测量的电子敏感元件，当受到雷击时，如果没有较为有效的接地系统，将会对仪表造成严重的损坏，因此研究石油化工仪表防雷接地系统设计方法，对提高石油化工仪表的防雷安全性，提高仪表和生产过程的安全性方面具有积极重要的意义，相关的系统设计方法研究受到人们的极大重视[1-2]。

随着石油化工行业的高速发展，石化企业无论是在规模还和数量上都在不断地增加，现代科学技术的快速发展，也推动着仪表体系更新换代的速度不断加快，仪表系统的智能化、网络化取得了巨大成绩。然而，石油化工仪表系统所存在的普遍过压和过流、耐受能力差、绝缘强度低，对电磁干扰敏感的弱点等等，影响了仪器仪表系统的正常工作。加强仪表设备必要的防雷保护措施,防止因雷击而导致仪表设备的工作失灵，损害仪表设备的安全运行，保证石化企业安全生产具有积极意义。

石油化工仪表防雷接地系统的设计建立在对雷击信息的检测和滤波基础上，对雷击电流信号的探测分为触发引信和非触发引信两种主要形式[3]，通过对石油化工仪表雷击现场的电场强度测量和自适应检波设计，实现防雷接地系统设计，文献[4]中提出一种基于电涌过电压保护器设计的仪表防雷接地系统设计方法，采用本机振荡幅度调制进行防雷击接地保护器设计，提高了对雷击过程中的电涌过载失真，提高了误差补偿性能，但是该系统受到漏感和励磁电感的影响较大，在受到较大强度的雷击时保护性能不好。针对上述问题，本文提出一种基于漏感和励磁电感增益分配和检波控制的防雷接地系统设计方法，以双运放LM358放大器为核心进行石油化工仪表防雷接地系统电路设计，主要包括交流放大器设计、滤波器设计、检波器设计和直流放大器设计，最后进行系统测试分析，得出有效性结论。

1 石油化工仪表防雷现状

石油化工产业DCS 系统是一套兼有生产模式和生产控制系统，这个系统在当前的石化生产中应用较为广泛，系统中的仪表设备较多，可以说是整个石化工业生产流程的总指挥部，因此，能否保证这套系统正常运行也是关乎石化企业的生产和运行的关键。石化DCS 控制系统包含了电源、仪表等设备，在遭遇雷电时，现场仪表和智能仪表变化产生相应的雷电干扰，有可能会发生因雷电损害网络和变送器的设备工作，而这些设备之间由于是相互的连通，一旦发生相互干扰就会导致仪表设备的整体瘫痪，严重的会导致整个控制系统发生故障，整个生产工程会被迫停工。

2 原理分析及防雷接地系统总体设计构架

2.1 防雷接地原理分析及设计对象描述

(1)

(2)

如果电磁场是谐变的，即：

(3)

把空气介质当作良导体，则对导电媒质中的谐变电磁波进行电磁场分析，对雷击的麦克斯韦方程两边取旋度，则：

(4)

基于麦克斯韦全电流定理，进行石油化工仪表防雷接地的电磁场分析，在雷击电磁波的封闭面电磁场的波动方程表示为：

(5)

(6)

依据非触发系统物理控制场的电磁衰减性，有:

(7)

(8)

(9)

将某一个场E，H作如下代换：

(10)

在球面电磁波的雷击电磁场中得到了另一个场，也满足于麦克斯韦方程组，通过对石油化工仪表防雷接地分析，球面电磁波近似为平面波来对待，以此为原理进行防雷接地系统电路设计。

2.2 石油化工仪表防雷接地系统设计总体构架

根据上述原理分析，得到石油化工仪表防雷接地系统的主要参数有：灵敏度(动作电压)，通频带及交流放大量等，石油化工仪表防雷接地系统的基本特性满足：频率特性、振幅特性和时间特性[6]。频率特性由石油化工仪表防雷接地系统的滤波器的频率响应所决定，由放大器的动态范围决定振幅特性，为了提高系统的抗干扰能力，要求石油化工仪表防雷接地系统有更大的动态范围，防雷接地系统的时间特性反映了对不同形式的雷击信号电磁场的时滞性能。石油化工仪表防雷接地系统设计思想描述为：对起伏的电磁信号进行放大、选频和自动增益处理，输入信号幅度≥100 μV，石油化工仪表防雷接地系统的放大器总体放大倍数应该大于50 000倍。由于石油化工仪表防雷接地系统的有效信号频率范围为100～2 000 Hz，所以本接收机内部滤波器的通频带应设计为100～2 000 Hz。采用两级放大器，每级放大器放大为100多倍，又由于输入信号起伏比较大，因此,要求对雷击电磁波的有效信号频率滤波范围为100～2 000 Hz，所以输出信号就很可能超出5 V的范围，所以很有必要在高通滤波器幅频电路中加入动态范围≥25 dB 的AGC。由于石油化工仪表防雷接地系统的有效信号频率范围为100～2 000 Hz，因此要求本文设计的防雷接地系统的高通滤波器幅频响应曲线满足图1所示的幅值要求，低通滤波器幅频响应曲线满足图2所示的幅值要求。

图1 防雷接地系统的高通滤波器幅频响应

图2 防雷接地系统的低通滤波器幅频响应

根据设计要求，本文进行设计的防雷接地系统的硬件模块化设计。

3 系统的电路设计与实现

在上述进行系统总体设计和原理分析的基础上，提出一种基于漏感和励磁电感增益分配和检波控制的防雷接地系统设计方法，进行防雷接地系统的硬件设计，以双运放LM358放大器为核心进行石油化工仪表防雷接地系统电路设计，主要包括交流放大器设计、滤波器设计、检波器设计和直流放大器设计，基于MAX3491DSP芯片进行防雷接地系统的主控设计，石油化工防雷击接地保护系统的收发转换复位电路是实现匹配后大功率发射雷击信号源级的功能模块，采用ADI公司的ADM706芯片精确控制雷击接地保护系统的输出电压在3.3 V，选用PCI9054作为运算放大装置，引导ROM配置16位或者24位地址寻址，结合AD/DA转换器经24倍频进行数模转换[7-8]，采用经典的运算放大器电路进行石油化工仪表防雷接地系统的交流放大器设计，计算交流放大器的放大倍数A2为:

(11)

设计A1=400，实测A1=378。以C1,C2,C3为隔直流电容，得到石油化工仪表防雷接地系统的流放大电路如图3所示。

图3 石油化工仪表防雷接地系统的交流放大电路

设计的石油化工仪表防雷接地系统的有效频率范围为100～2 000Hz，因此在防雷接地系统的交流放大电路设计的基础上，需要两个8阶的带通滤波器级连续进行滤波电路设计，采用CMOS工艺制造的双列直插式开关电容低通滤波器，设计一组七阶椭圆函数低通滤波器，设计的滤波器电路的阻带衰减> 51dB(当f>1.3fC 时)，在fcp= 3.579 5MHz时, 若选择D5～D0= 110010，带宽BW=1.06fc= 3 392Hz，通过计算全部low-Vt单元最大功率，进行石油化工仪表防雷接地系统的静态和动态高通滤波，采用开关电容滤波器芯片S3528作为当D5～D0=110010 即 32时 , 确定S3529的D5D4D3D2D1D0=000001，滤波器的截止频率fc= 2 905Hz，根据上述设计，得到石油化工仪表防雷接地系统的

滤波器电路设计如图4所示。

图4 滤波器电路设计

检波器设计中采用一个8阶高通滤波器进行级联，组成一个高通检波电路，实现对石油化工仪表防雷接地的检波设计[9]，用普通的二极管检波电路实现检波,采用本机振荡幅度调制方法实现防雷击接地保护耦合控制，由D/A转换器输出的电压信号在(0～4.095V)之间，依据洛伦兹法则，构建防雷击接地保护电力控制功率放大器，确定输入范围为4V，假设防雷击接地保护电路中的绕组为kf，采用“SS”型补偿电磁耦合补偿，由此构建防雷接地系统的检波电路如图5所示。

在检波电路设计的基础上，进行石油化工仪表防雷接地系统的直流放大器设计，防雷击接地保护通过PCB连接成一个集成统一的整体，直流放大器采用UCC3895移相全桥PWM控制，通过CPLD产生DSP中断，直流放大的等效电路各部分阻抗[10-11]分别为：

(12)

(13)

(14)

图5 石油化工仪表防雷接地系统的检波电路设计

图6 防雷击接地系统的直流放大模块电路设计

最后进行整个系统的集成电路设计，从原理图转换到PCB图，得到防雷击接地系统的功能电路设计结果如图7所示。

4 系统调试实验分析

为了验证本文设计的石油化工仪表防雷接地系统在实验防雷接地防护中的应用性能，进行系统调试分析，当输入雷击信号Vi在100kV，频率可变的正弦波，得到接地系统的输入与输出波形如图8所示。

图8 防雷接地系统电压的输入输出波形

通过计算得到石油化工仪表的防雷击接地截止频率fl=87Hz、衰减特性为21dB，输出接地电压的峰值V0pp1以及Vopp1/Vipp1的测试数据结果描述见表1。

表1 测试数据

分析上述结果得知，检波电路的输出电压Vo为零，对应于二极管D1的导通状态，在VA由零变D2的导通电压VD2期间，二极管导通电压对检波特性产生增益控制影响，防雷的阻带衰减大于51dB，使得频率在800Hz以上的信号都被滤除，对雷击信号具有较好的高通滤波和低通滤波性能，从而对石油化工仪表防雷具有较好的保护作用。

4 结束语

本文进行防雷接地系统的优化设计，提出一种基于漏感和励磁电感增益分配和检波控制的防雷接地系统设计方法，基于麦克斯韦全电流定理，进行石油化工仪表防雷接地的电磁场分析，以双运放LM358放大器为核心进行石油化工仪表防雷接地系统电路设计，系统硬件电路设计中主要包括交流放大器设计、滤波器设计、检波器设计和直流放大器设计，测试结果表明，采用该系统进行石油化工仪表防雷接地设计，具有较好的高通滤波和低通滤波性能，测试结果满足设计的技术指标，对石油化工仪表具有较好的防雷击保护能力。

[1] 黄 朝,许 鑫,刘敦歌,等.基于多传感器的微弱磁异常信号提取方法研究[J].电子测量技术,2015,38(10):91-95.

[2] 陈启宏,伊小素,王 明,等.基于AMBA总线的SpaceWire控制模块IP核设计[J].电子测量技术,2016,39(3):80-84.

[3] 杜志广,颜树华,林存宝,等.双路信号相位同步测量系统设计与实现[J].激光技术,2016,40(3):315-319.

[4]Moreno-SalinasD,PascoalAM,ArandaJ.Optimalsensorplacementformultipletargetpositioningwithrange-onlymeasurementsintwo-dimensionalscenarios[J].Sensors,2013,13(8):10674-10710.

[5] 何其锐,李立萍.减小声光频谱仪频率测量方差算法研究[J].红外与激光工程,2015,44(5):1564-1568.

[6] 梁国龙,韩 博,范 展.近场自适应波束形成的零陷展宽方法[J].华中科技大学学报(自然科学版),2013,41(8):34-39.

[7] 夏光辉,秦建军,王大成.基于FPGA的双CF卡数据采集系统设计[J].电子设计工程,2016,6(4):19-21.

[8] 郭素敏,徐克宝,苏春建,等.通用数字电路板自动测试系统设计[J].计算机测量与控制,2014,22(7):2040-2042.

[9] 高建锋, 赵秀辉. 化工行业仪表系统防雷接地的研究[J]. 科学与财富, 2015,9(10):314-318.

[10] 王 洋. 石油化工仪表系统防雷接地系统工程设计剖析[J]. 工程技术:文摘版, 2016，6(3): 260-262.

[11] 任海波. 天然气处理厂仪表自控系统防雷接地分析[J]. 电子制作, 2013，10(4):148-151.

Design and Implementation of Mine Grounding System in Petrochemical Industry

Wang Bing

(Polypropylene plant Control workshop，PetroChina Daqing Refining&Petrochemical Company,Daqing 163000,China)

In order to improve the lightning protection safety of petrochemical instrument,the design of lightning proof grounding system,This paper proposes a leakage protection and excitation inductance of the gain distribution and the detection control method of grounding system design method,the current Maxwell theorem based on the analysis of electromagnetic field of petrochemical instrument,lightning protection and grounding,double operational amplifier LM358 amplifier as the core of Petrochemical Instrument lightning protection grounding system circuit design,including the design,filter design,AC amplifier the design of detector and DC amplifier design,using 8 order high pass filter in the receiver design(S3529)in parallel,improve the lightning protection and grounding system output amplifier performance,the system debugging and circuit testing,the results show that the design of petrochemical instrument grounding lightning protection in the system,the stopband attenuation greater than 51 dB,with the high pass filter and low-pass filter,better performance of the lightning signal,to better protect the safety of Petrochemical Instrument.

petrochemical industry;instrument;lightning protection and grounding system;filter;detector

2016-11-22；

2016-12-10。

王 兵(1970-)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，工程师，主要从事仪器仪表及石油化工自动化、自动控制方向的研究。

1671-4598(2017)02-0213-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.058

TN710

A