煤制烯烃项目中仪表监控系统抗干扰技术的应用

2018-01-31杨绍军

自动化仪表 2018年6期

杨绍军

(国家能源集团神华包头煤化工有限责任公司，内蒙古包头 014010)

0 引言

随着自动化技术在现代煤化工企业的应用与发展，仪表监控系统(以下简称仪表系统)在煤化工企业的重要性不断提高。煤制烯烃项目的仪表系统具有设备多、安装地域广、输入/输出接口多、传输电缆多且长等特点，其工作环境中会有各种各样的噪声，而噪声又会通过各种耦合途径干扰仪表系统的正常工作。

提高仪表系统的抗干扰能力，也就是提高仪表系统的稳定性、可靠性，这是煤化工企业安全平稳生产的重要保障。要提高仪表系统的抗干扰能力，除了在设计和生产时考虑各种抗干扰措施外，更重要的是改进实际应用中的抗干扰技术。本文主要介绍了仪表抗干扰技术在实际应用中的几种解决方案。

1 项目概况

煤制烯烃项目是以煤为原料，通过煤气化制甲醇、甲醇转化制烯烃、烯烃聚合生产聚烯烃产品的特大型煤化工项目。工厂包括甲醇、烯烃、热电和公用工程等四个主要生产中心。其中，甲醇中心包括气化、净化、合成、硫磺回收和甲醇罐区这五套生产装置，烯烃中心包括甲醇制低碳烯烃(methanol to olefins， MTO)、烯烃分离、聚丙烯、聚乙烯、混合C4、烯烃罐区这六套生产装置，热电中心包括锅炉、汽轮机、化学水、脱硫脱销、卸储煤这五套生产装置，公用工程中心包括净水、循环水、污水、火炬、装卸栈台这五套生产装置。MTO是该项目的核心装置，是传统煤化工与石油化工结合的“桥梁”[1]。

2 仪表监控系统存在的干扰问题

2.1 MTO和烯烃分离装置存在的仪表干扰问题

MTO和烯烃分离装置的分散控制系统(distributed control system，DCS)采用的是霍尼韦尔公司的过程知识系统(experion process knowledge system，EPKS) 。近年来，MTO和烯烃分离装置的DCS在装置正常运行时，多次出现因短时间内控制器主从切换不畅而导致的控制器运行异常，造成了所有操作站的数据显示中断事故。

2.1.1 DCS控制器运行异常情况检查

通过查询MTO和烯烃分离装置DCS的系统报警事件记录，可以看到每次在控制器运行异常时，都会有多个控制器出现容错以太网(fault tolerant ethernet， FTE) A/B接收故障。

2.1.2 DCS控制器运行异常原因分析

每次控制器出现异常后，仪表技术人员到现场进行检查分析时，系统都已自动恢复正常了。这对仪表人员分析故障原因很不利。

仪表技术人员经过对控制系统的认真检查和多次原因分析后，基本排除了控制系统本身存在问题的可能性，一致认为DCS操作站数据中断是由于较强的外部干扰造成的。在2014年7月再次出现类似故障时，经与操作人员进一步沟通，得知当时在MTO装置现场有焊接作业。工作人员至现场查看后，发现焊工将焊机的地线搭接在仪表电缆桥架上。

在仪表接地系统不完善的情况下，会把强的干扰信号引入DCS中，造成控制系统工作异常。依据仪表接地规范，对这两个装置仪表接地系统进行检查，发现存在接地线不规范、接地线截面规格配置不科学等诸多问题。由此可以判断出，焊机作业时通过仪表电缆桥架和仪表接地系统把较强的干扰信号引入到了DCS系统，是造成MTO和烯烃分离装置DCS系统多次出现操作站显示数据中断的直接原因。

2.2 全厂仪表系统在抗干扰方面存在的问题

仪表系统的抗干扰方法一般包括完善的仪表接地、抗高频干扰、电源和信号的隔离和滤波控制室屏蔽以及控制室静电防护等[2]。本文主要研究前三种抗干扰方法的实施方案。

2.2.1 仪表工作接地的问题

科学、合理的接地是仪表系统抑制干扰的有效手段之一。仪表的工作接地包括信号回路接地和屏蔽接地[3]。针对MTO和烯烃分离装置出现的强干扰问题，依据干扰源的干扰机理和相关标准规范，结合实际工作经验，对全厂仪表系统的接地情况进行彻底的排查，共查出以下五类问题。

①接地不规范问题。

接地不规范问题如下：部分接地系统的接地导线规格不符合要求；部分接地导线过长；接地线、接地分干线、接地干线和接地总干线的截面规格分配不科学，不是逐级增大，甚至有颠倒配置的情况；部分接地汇流排、接地汇总板的规格不符合要求；工作接地汇流排的绝缘支架损坏；工作接地与保护接地在总接地板前没有实现完全绝缘；仪表及柜内的保护接地、工作接地使用同一个汇流排；现场独立设置的仪表柜内保护接地与工作接地汇总后，没有按要求接到全厂的等电位接地网上；个别需要进行现场接地的仪表设备(如接地型热电偶、PH计、电磁流量计等)，接地点不符合要求[4]；控制系统的24 V直流电源的负极存在不接地的情况。

②仪表电缆屏蔽问题。

仪表电缆屏蔽问题如下：个别仪表屏蔽电缆因屏蔽结构不符合相关要求，屏蔽效果差；个别仪表测量回路的屏蔽层存在非单点接地的情况；仪表接线箱内的电缆屏蔽层没有在箱内进行跨接，甚至有的仪表回路从仪表接线箱到现场仪表设备连接的电缆没有进行屏蔽；在控制室侧接地的屏蔽电缆的接地存在“猪尾巴效应”[5]；需要在现场侧对信号电缆屏蔽层进行接地的仪表，实际上是在控制室侧接地的。

③电缆敷设问题。

电缆敷设问题如下：仪表信号电缆与电源电缆敷设在同一根电缆保护管中；仪表信号电缆桥架与电气专业的电力电缆桥架平行敷设的间距不符合要求；电缆布线的路径不合理，靠近电磁干扰源的设备。

④接地连接电阻问题。

接地连接电阻问题如下：个别接地点的接地连接松动；接地连接点锈蚀；未能及时发现安全仪表系统(safety instrument system，SIS)的漏地检测器有报警信号。

⑤仪表电源问题。

仪表电源问题如下：仪表电源系统的零线(N)与保护零线(PE)未分开[6]。

2.2.2 仪表抗高频干扰方面存在的问题

依据干扰源耦合机理，电容性耦合可以通过对仪表电缆屏蔽层单端接地进行有效抑制。对于电感性耦合、电磁场耦合，则要根据噪声源的频率确定有效的抑制手段。当干扰源频率低于五倍的电缆截止频率时，相应的电缆屏蔽层应进行单端接地；当干扰源频率大于等于五倍的电缆截止频率时，相应的电缆应进行两端或多点接地。

一般情况下，电缆屏蔽层单端接地可以有效防范低频干扰，电缆屏蔽层两端或多点接地可以有效防范高频干扰。

现场仪表在防高频干扰方面存在以下问题。

①仪表电缆敷设路径不科学。

②部分仪表电缆没有进行全程屏蔽。

③电缆屏蔽层没有实现两端或多点接地，或相应的接地点未与全厂的等电位接地网进行可靠的电气连接。

④电缆的内层屏蔽和外层屏蔽没有实现完全隔离，电缆屏蔽层屏蔽单丝直径或屏蔽率不符合相关规定要求。

⑤电缆桥架与仪表电缆镀锌穿线管之间、仪表电缆镀锌穿线管与防爆挠性管之间，以及防爆挠性管与仪表外壳之间没有实现可靠的电气连接。

2.2.3 隔离和滤波方面存在的问题

通过仪表电源、信号线，将信号源、电源里夹带的噪声干扰直接传导给仪表电路的耦合方式，称为导线的直接传导耦合。这种耦合干扰是常见的干扰方式。

仪表系统在防止这种干扰方面，主要存在以下问题。

①仪表电源质量不高。

②信号回路抗干扰措施不完善。

③易受控制回路中变频器等设备产生的高次谐波的干扰。

3 仪表系统抗干扰技术

噪声通常是无法完全消除的。只要尽量减小噪声，使它不再对仪表系统形成干扰，就可以达到抗干扰的目的。针对MTO和烯烃分离装置DCS系统出现的强干扰问题，以及现场排查出的其他抗干扰方面存在的问题，依据干扰耦合机理和相关标准规范的要求，采取切实可行的抗干扰技术来解决仪表系统的干扰问题。

3.1 完善仪表工作接地系统

3.1.1 完善的接地技术

完善的接地技术包括：按要求更换符合要求的接地线、接地汇流排、接地汇总板；确保接地汇流排、汇总板等的绝缘支架完好；确保工作接地与保护接地在总接地板前实现完全绝缘；确保所有接地连线在接到接地汇流排、汇总板前绝缘良好；确保仪表所有的接地点与全厂等电位接地网已进行了可靠的电气连接；确保现场仪表没有利用输送或储存可燃性物料的设备或管线作为接地点；确保非浮空设计的24 V直流电源的负极可靠接地。

3.1.2 电缆屏蔽技术

电缆屏蔽技术包括：在条件允许的情况下，替换屏蔽效果不好的电缆；确保电缆内层屏蔽层在机柜间内可靠接地[7],对于要求必须在现场接地的仪表，电缆屏蔽层仅在现场接地；保证从机柜间到现场仪表设备的电缆屏蔽的电气连续性和非接地点的对地绝缘性；尽量缩短机柜间内电缆伸出屏蔽层的长度；当屏蔽电缆途径接线盒分断或合并时，应在接线盒内将其两端电缆的屏蔽层连接[8]。

3.1.3 电缆敷设技术

电缆敷设技术包括：确保控制系统电缆敷设远离强电区、强磁设备，路径合理[9]；仪表信号电缆不与电源电缆共用一个电缆保护管；仪表电缆桥架与电气电缆桥架应尽量交叉敷设，无法避免平行敷设时，两者的间距应符合仪表配管配线设计规范的相关要求。

3.1.4 科学的接地连接

科学的接地连接包括：检查各接地点的接线情况，确保接地牢固、可靠，接地连接电阻小于等于1 Ω；检查系统的漏地检测器是否有报警，如果有报警，应及时采取措施予以消除。

3.1.5 规范的仪表电源

规范的仪表电源包括：确保仪表交流电源采用TN-S系统，保证N线与PE线除了在变压器中性点共同接地外，两线不再有任何电气连接。供电电缆的敷设应选择最短路径，减少串入线路的干扰[10]。

3.2 仪表抗高频干扰技术

仪表系统的高频干扰源有很多，一般包括开关电源、变频器以及自然界中的雷电，其中以雷电产生的干扰对仪表系统的影响最大。雷电干扰包括电容性耦合、电感性耦合和电磁场耦合。对于防雷电干扰，既要考虑防电容性耦合的单端接地措施，又要考虑防高频电感性耦合、电磁场耦合的两端或多点接地措施。依据相关标准要求，当电缆长度小于等于20 m时，应进行两端接地；当电缆长度大于20 m时，应进行多点重复接地[11]。

3.2.1 屏蔽接地技术

采用双层屏蔽分别接地的措施，内层屏蔽层单端接地，外层屏蔽层两端或多点接地，所有接地线都与全厂等电位接地网进行可靠的电气连接，以确保内、外屏蔽层相互绝缘且分别具有电气连续性，而电缆完全处于屏蔽层的保护之内。双层屏蔽电缆的外屏蔽层可采用以下方法实现。

①分屏加总屏电缆的总屏蔽层。

②金属铠装电缆的金属铠装层。

③敷设电缆的金属电缆槽、金属保护管。

④钢筋混凝土结构的电缆沟等。

3.2.2 合理布线

①减少敷设电缆的感应环路面积。

②敷设的电缆尽量远离高频干扰源头设备以及防雷引下线。

3.2.3 配备浪涌保护器

针对重要装置区内的仪表电源、信号回路，应该在主电路空气开关和熔断器的负荷侧采用共模接法，在三根相线和PE线之间，各自安装一个过流保护器和一个浪涌保护器(surge protection device,SPD)，在N线和PE线之间安装一个SPD。另外，当室外敷设的电缆长度大于50 m时，应该在线路两侧装设SPD。