电磁场环境中提高DCS干扰抑制能力的探讨
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龚有明
（云南化工设计院有限公司）
摘要：分散控制系统（DCS）在工程应用中常因环境复杂受到电磁场干扰而影响正常的工作。为了有效地抑制或降低电磁场对DCS的干扰，结合工程实际，分析了交流磁场、工频磁场、脉冲磁场、射频磁场、阻尼磁场等干扰源产生的原因，通过合理设置控制室的位置、采用控制室屏蔽、信号屏蔽、仪表接地的方法抑制电磁干扰，并提出了合理的建议。
关键词：电磁场干扰 抑制 环境 方法
在工业领域，由于工程环境复杂，产生干扰源的因素多种多样，如电磁场、磁场、高低压开关分合闸、变频器、对讲机、雷电等，感受体受到干扰的影响程度也不相同。对于以电子设备为主的分散控制系统（DCS）来说，由于系统复杂，设备多，I/O端口多，连接的电缆较长，为干扰入侵控制系统提供了条件；在多数情况下，干扰的产生已影响到DCS的正常工作，严重时会引起安全事故。笔者结合某黄磷工程项目实例，分析、总结了在电磁场环境下提高DCS的抗干扰抑制能力的方法。
1 黄磷生产工艺简介
黄磷生产工艺采用电炉法，将电能转化为热能，在电炉内熔融磷矿石、焦炭和硅石，产生含磷气体后，冷凝、吸收、净化后得到黄磷，生产装置控制采用电仪一体化的DCS。
中国的黄磷工业虽然起步较晚，但经过多年来各地黄磷装置的大量建设，生产规模不断扩大，由于原料及运行成本的原因，目前国内黄磷装置单台炉大都采用2×10 4～3×104k V·A的磷炉变压器，6根φ600 mm或7根φ700 mm的石墨电极；实际工程中磷炉变压器的额定容量为2.5×10 4k V·A，6根φ600 mm石墨电极。磷炉变压器二次侧到电炉的运行工况为三相电流、频率为50 Hz的低电压及大电流，在该工况下，将不可避免产生强的电磁场。由于工艺控制室要求尽可能靠近电炉炉盖，以便操作人员能看到现场电极的升降工作情况，在以往的工程设计中，控制室中的DCS始终处在强电磁场的环境中，虽然控制室采取了屏蔽等措施来抑制电磁干扰，但DCS还是不能很好地正常运行，CRT显示的图像常畸形抖动，严重影响了操作人员的正常工作。
2 干扰源分析
干扰DCS正常运行的因素多种多样，有电磁场、磁场、雷电、高低压开关分合闸、变频器、对讲机、大功率用电设备、各种噪声、耦合、仪表系统接地不良等。在这些干扰因素中，对DCS影响比较大且较难抑制的是电磁场。结合工程实际，主要讨论电磁场对DCS运行的影响。磁场干扰种类[1]包括：
1)交流磁场。一般由周围的交流电流产生，如磷炉变压器三相输出的低电压、大电流产生的磁场。
2)工频磁场。这是最常见的干扰，如导体中的工频电流产生的磁场，还有极少数变压器、电动机等电力设备产生的漏磁。
3)脉冲磁场。它是由雷击建筑物和其他金属构架，包括天线杆、引下线、接地体和接地网以及在低压、中压和高压电力系统中因故障的起始暂态产生的，也可以在高压变电所，因断路器切合高压母线和高压线路时产生，其波前时间和半峰时间都是微秒级的。
4)射频电磁场。对讲机、变频器、电焊机等产生的电磁辐射。
5)阻尼振荡磁场。磷炉变压器的隔离开关分合闸时产生的磁场。
根据黄磷电炉法生产工艺的特性，磷炉变压器的位置应尽量靠近电炉，通常在10 m以内，三相磷炉变压器通过短网铜排与电炉电极把持器连接，每相有4根铜排分别接到电炉电极把持器上，共有12根铜排，对6根石墨电极做功，将电能转换为热能。实际生产中炉内工况复杂且不断变化，为了使黄磷炉的电耗最低，需要不断地调节电极的升降，使得磷炉变压器的三相平衡，电源中性点处于“零”状态，此时变压器的效率最高，通常采用控制调节磷炉变压器的二次电压和二次电流来达到电源中性点处于“零”状态。由于二次电流的不断变化，产生了强的电磁场，虽然铜排在布置上已充分考虑到每根铜排产生的磁场，尽可能相互耦合抵消或消弱，但实际上铜排周围环境中还是有较强的电磁场，且是无规则的；在有碳钢部件的法兰、管道处，因处理措施不当产生电磁涡流，导致碳钢部件发热发红的现象时有发生。
3 干扰抑制方法
3.1 控制室的位置
由于电磁的特性取决于源、源周围的介质以及源和观察点之间的距离，将辐射源周围的空间分为两个区域，即近场和远场（感应场和辐射场）。
1)在远场中，电磁波十分规整，电场和磁场在强度上有固定的比例关系，通常把电场强度E和磁场强度H的比值定义为波阻抗Z，即：
式中：E——电场强度，V/m；H——磁场强度，A/m。
2)对近场而言，波阻抗取决于干扰源的特性以及离干扰源的距离，近场主要为磁场，波阻抗呈低阻抗特性以电感耦合的噪声为主[1]。根据这一理论，将通过低电压、大电流的短网铜排产生的电磁场的区域划分为近场，离近场区域越远干扰源对感受体的干扰越小，通常两者之间的距离应大于λ/2，λ为电磁波的波长，DCS控制室的位置处于远场中，即自由空间，受到电磁场的干扰程度是最低的。实际工程中将DCS控制室布置于紧靠厂房外的端头，生产装置投运以来DCS稳定工作，因而合理设置控制室位置可大幅提高DCS的抗干扰能力。
3.2 控制室的屏蔽
控制室的屏蔽方式主要有建筑物的自身屏蔽、金属网格的格栅型大空间屏蔽和用金属板材围成的壳体屏蔽等[1]。建筑物的自身屏蔽效果要差一些，适用于工程环境不复杂，干扰源不多或控制室远离干扰源的环境；金属板材围成壳体的屏蔽效果最好，适用于工程现场条件有限的场合。如某黄磷装置的控制室屏蔽就是采用该方式，设计时用3 mm的碳钢板敷设到控制室内的6个墙面，为了不让磁场在控制室内形成磁环，必须每面墙上的钢板不连接，保留很小的缝隙，其缺点是投资较大，施工困难。金属网格的格栅型大空间屏蔽可以根据控制室所处环境选择格栅宽度来达到屏蔽效果。
从上述磁场干扰的种类来说，交流磁场和雷电产生的脉冲磁场对控制室内的控制系统影响最大，由于交流磁场的磁场强度较难确定，可参照雷电产生的脉冲磁场来计算金属网格的格栅型大空间屏蔽网格宽度，并按闪电击在控制室建筑物以外附近的情况和闪电直接击在控制室建筑物上两种情况来计算网格宽度，文献[1]已针对这两种情况作了网格宽度计算，该处需注意，闪电击于控制室建筑物以外附近的情况，其计算的前提条件是雷击点至屏蔽空间的平均距离为30 m，钢筋半径为5 mm。在工程应用中可结合实际情况参考选取屏蔽网格宽度，该处不再赘述。
该项目中控制室的屏蔽采用的是格栅型屏蔽方式。由于控制室的位置紧靠主厂房端头，可按闪电击于建筑物以外附近的情况来选择屏蔽网格宽度。因控制系统各厂家的脉冲磁场抗扰度可能不一样，选择时最好按要求高的选取，即脉冲磁场抗扰度为100 A/m，一般情况为300 A/m，雷电防护等级为A级，网格宽度不大于0.38 m，距屏蔽壁的最短安全距离不小于0.78 m。工程设计中，网格屏蔽的材质为碳钢，为了降低造价，屏蔽钢筋半径为3 mm，网格宽度为0.15 m，施工时屏蔽网格相邻面不连接，留有缝隙，避免形成磁场回路，且要可靠接地。
3.3 信号隔离
DCS接收到的I/O信号不完全是热电偶、热电阻、变送器等弱电信号，通常还包括电气控制器信号，如变频器、各种开关信号、交流互感器的电压电流信号等，它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等，各种干扰将通过信号线、电源线以及通信线等被直接传到DCS的电子电路，造成系统的不稳定甚至误操作。对所有I/O信号应采用信号隔离器进行隔离，对供电电源采用UPS进行隔离，可有效地抑制和降低对DCS的干扰。
3.4 仪表接地
仪表接地系统对DCS抗干扰抑制是不可缺失的，尤其是电磁场环境和雷电较多的地区，仪表系统接地种类分为保护接地、工作接地、本质安全系统接地、防静电接地和防雷接地。在工程设计时应充分考虑工程环境，按照SH/T 3081—2003《石油化工仪表接地设计规范》和HG/T 20513—2014《仪表系统接地设计规范》做好接地系统设计，施工时做好监督和隐蔽工程的验收，将会很好地抑制或消除干扰。
4 结束语
抑制电磁场对DCS的干扰是比较复杂且不易解决的工作，仪表工程设计人员往往因对强电流产生的磁场环境分析较困难而忽视了电磁场干扰问题，造成在工程设计时对电磁场的干扰抑制采取的措施不够，项目建成后发现DCS不能稳定正常工作和安全运行，再采取整改措施，就需要很大的投入，有时甚至非常困难。类似于黄磷装置大功率做功，将电能转换为热能的化工装置控制室设计，需要对电磁场环境作分析研究，合理设置控制室的位置和采取必要的抗干扰措施，将会达到事半功倍的效果。