過(guò)程控制系統(tǒng)的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)
過(guò)程控制系統(tǒng)的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)――在江漢油田壓氣站的工程應(yīng)用 第二作者 深圳萬(wàn)訊自控有限公司 熊軒 摘要：本文論述了過(guò)程控制系統(tǒng)防浪涌的必要性，重點(diǎn)介紹浪涌保護(hù)器的原理和過(guò)程控制的應(yīng)用特點(diǎn)，通過(guò)舉例說(shuō)明了在油田現(xiàn)場(chǎng)的工程應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：過(guò)程控制 浪涌保護(hù)器 接地 一．過(guò)程控制防浪涌的必要性 近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，過(guò)程工業(yè)的自動(dòng)化程度迅速提高，精密的電子信息設(shè)備在過(guò)程控制領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。然而，隨著集成度的提高，現(xiàn)代電子設(shè)備的耐電壓沖擊能力卻顯著降低，雷電產(chǎn)生的瞬間浪涌（及其產(chǎn)生的電磁脈沖）對(duì)電子設(shè)備的損害成逐年上升趨勢(shì)。 過(guò)程工業(yè)本身的特點(diǎn)決定了對(duì)控制系統(tǒng)及儀表裝置對(duì)浪涌防護(hù)的需求： 設(shè)備分布廣泛，儀表與控制系統(tǒng)分布在數(shù)百米甚至更大的空間許多工藝裝置高聳于地面，容易遭受雷擊。 工況環(huán)境惡劣，相當(dāng)多的現(xiàn)場(chǎng)儀表工作在露天的無(wú)防護(hù)環(huán)境。 控制系統(tǒng)設(shè)備價(jià)值昂貴，一旦損毀，經(jīng)濟(jì)損失大。 工藝停車事故造成的間接經(jīng)濟(jì)損失巨大，修復(fù)再開(kāi)車時(shí)間長(zhǎng)。 雖然，浪涌危害直接體現(xiàn)在硬件方面的損失，然而更大的危害是設(shè)備停機(jī)所造成的潛在經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)浪涌采取有效的防護(hù)是保證過(guò)程控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行不可缺少的環(huán)節(jié)。 下面僅僅是深圳萬(wàn)訊公司直接獲知的幾個(gè)浪涌危害的案例 上海某化工廠05年遭受雷擊，導(dǎo)致DCS停機(jī)，板卡損壞 湖南婁底某電廠，06年多次遭受雷暴，液位測(cè)量?jī)x表?yè)p壞，DCS 的I/O系統(tǒng)損壞。 江漢油田某采油廠，06年遭受雷擊，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室儀表?yè)p壞多處。 到目前為止，郵電、電力、建筑等行業(yè)均出臺(tái)了成套的防雷技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而工業(yè)自動(dòng)化還缺乏一套完整的防雷技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)院的電氣、儀表設(shè)計(jì)人員在考慮防雷問(wèn)題時(shí)只能參考其他行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，這也是推廣過(guò)程控制系統(tǒng)防雷需要解決的問(wèn)題。 二．浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì) 過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)有它本身的特點(diǎn)，它的設(shè)備眾多，涉及到現(xiàn)場(chǎng)的變送器（溫度、壓力、液位）、電動(dòng)/氣動(dòng)執(zhí)行器、集散控制系統(tǒng)、PLC和常規(guī)控制儀表?，F(xiàn)代的過(guò)程控制還引入了多種通訊技術(shù)。可以說(shuō)過(guò)程控制是信號(hào)錯(cuò)綜復(fù)雜，設(shè)備分布廣泛，因此需要一套完整的保護(hù)體系?？梢?jiàn)過(guò)程控制系統(tǒng)的防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，從電源線路開(kāi)始，到信息系統(tǒng)入口端，除考慮系統(tǒng)自身的防雷措施外，還應(yīng)與建筑物防雷、接地設(shè)計(jì)等相互配合，同時(shí)還要兼顧信號(hào)系統(tǒng)的電磁兼容的要求。 浪涌防護(hù)基本原理—為浪涌電流提供一條對(duì)地泄放的合理的阻抗路徑?？梢?jiàn)，浪用保護(hù)器的可靠接地是至關(guān)重要的。 浪涌保護(hù)器（SPD surge protect device）又稱為避雷器、防雷柵、浪涌抑制器，其的核心功能是泄流與限壓。目前，浪涌保護(hù)器采用的浪涌抑制器件有氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、齊納二極管等。 ?。?）氣體放電管：管內(nèi)充有惰性氣體，沒(méi)有浪涌電壓時(shí)，放電管的阻抗非常大。當(dāng)浪涌電壓侵入時(shí)，放電管里的兩極間氣體發(fā)生電離，此時(shí)兩極間阻抗降低，給浪涌提供泄放通道。它的浪涌吸收能力大，泄放電流可大于數(shù)十千安，但它對(duì)浪涌電壓響應(yīng)速度較慢，有較高的殘壓。 ?。?）氧化鋅壓敏電阻：壓敏電阻通流能力較氣體放電管小,但反應(yīng)速度更快,在毫秒到微秒之間。它的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是電容較大，不適合在通訊線路中使用。 ?。?）瞬變電壓抑制二極管：基本原理是利用PN結(jié)的齊納效應(yīng)，來(lái)達(dá)到電壓箝位目的。此器件優(yōu)點(diǎn)是靈敏度極高，缺點(diǎn)是通流能力小，適合做末端保護(hù)元件。 實(shí)用的浪涌保護(hù)器還往往是采用兩類保護(hù)器件的組合，粗保護(hù)實(shí)現(xiàn)較大的瀉流能力，細(xì)保護(hù)實(shí)現(xiàn)較低的電壓保護(hù)水平。 浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)與接地的考慮：過(guò)程控制系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器按安裝地點(diǎn)分為現(xiàn)場(chǎng)型和控制室，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)需要考慮安裝牢固、接地可靠。 現(xiàn)場(chǎng)型浪涌保護(hù)器需要能夠方便的固定，因此采用螺紋旋接在現(xiàn)場(chǎng)儀表的進(jìn)線接口上，內(nèi)部瀉放電路的地通過(guò)不銹鋼殼與現(xiàn)場(chǎng)儀表的外殼地連接，另外還有專門的接地線擰在現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部接地點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)雙重冗余接地。 控制室浪涌保護(hù)器以導(dǎo)軌安裝形式固定于控制柜的進(jìn)線處。每個(gè)浪涌保護(hù)器如果通過(guò)端子逐個(gè)接地線，實(shí)際上加大了連線工作量。深圳萬(wàn)訊公司采用導(dǎo)軌自然接地，將接地點(diǎn)通過(guò)金屬?gòu)椘紻IN導(dǎo)軌上，整個(gè)導(dǎo)軌一次性接到接地母線上，實(shí)現(xiàn)“安裝即接地”，對(duì)快速安裝非常有利。 當(dāng)然，作為過(guò)程控制系統(tǒng)的專用浪涌保護(hù)器，必須要符合浪涌保護(hù)器的通用要求，需要通過(guò)相應(yīng)項(xiàng)目的測(cè)試。萬(wàn)訊公司MSU全系列的浪涌保護(hù)器經(jīng)過(guò)信息產(chǎn)業(yè)部廣州防護(hù)性能檢驗(yàn)中心的測(cè)試，符合《YD/T1542-2006 信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的浪涌保護(hù)器基本要求和測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)的要求。 三 工程應(yīng)用示例 江漢油田采油廠壓氣站位于湖北省潛江市，地位位置：東經(jīng)112.9度，北緯30.4度，屬于亞熱帶暖濕氣候。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50343-2004公布的記錄數(shù)據(jù)，武漢年平均雷電日為34.2，宜昌年平均雷電日為44.7，潛江位于武漢與宜昌之間，雷電日應(yīng)當(dāng)在兩者之間，屬于雷電頻繁地帶。06年夏季雷擊造成，多種變送器損毀，控制室相應(yīng)的儀表也損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失十余萬(wàn)。 壓氣站主要的工藝裝置為油氣反應(yīng)容器與附屬管道，主要的監(jiān)測(cè)量為壓力，液位，溫度，流量，控制點(diǎn)為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。控制室與油氣罐群的最遠(yuǎn)距離為100米上下，中間電纜連接采用地溝+架空橋架的方式布線。 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-1994(2000年版)對(duì)建筑物防雷的等級(jí)劃分，明確規(guī)定：工業(yè)企業(yè)內(nèi)有爆炸危險(xiǎn)的露天鋼質(zhì)封閉氣罐……屬于第二類防雷建筑物。實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備和建筑物全部有完善的避雷網(wǎng)和接地系統(tǒng)，因此直擊雷已經(jīng)得到有效防護(hù)。 顯然，06年夏季雷擊引起儀表裝置的損壞，是感應(yīng)雷引起的。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，防雷體系主要存在以下問(wèn)題： ² 控制室電源線未裝浪涌保護(hù)器，一旦浪涌從電源線侵入，將危及控制室所有儀表 ² 溫度、壓力、流量、液位各種變送器以及電氣閥門轉(zhuǎn)換器也沒(méi)裝浪涌保護(hù)器，這是現(xiàn)場(chǎng)儀表受損的原因；相應(yīng)的浪涌也通過(guò)控制室的信號(hào)線損壞了部分室內(nèi)儀表。 儀表的應(yīng)用分布如下： 現(xiàn)場(chǎng)儀表（全部為兩線制）浮子液位變送器、壓力變送器、溫度變送器、漩渦流量計(jì)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥（電-氣轉(zhuǎn)換器） 控制室儀表：調(diào)節(jié)記錄儀、光柱控制儀、無(wú)紙記錄儀、流量積算儀 控制室電源：220V單相電 浪涌保護(hù)器配置方案 經(jīng)過(guò)深圳萬(wàn)訊公司和油田儀表車間的商討，是采取“整體防御”的原則，在關(guān)鍵回路上加裝浪涌保護(hù)器，從而組成一個(gè)有效且經(jīng)濟(jì)的防雷系統(tǒng)。 地線處理：現(xiàn)場(chǎng)儀表接地通過(guò)儀表殼體與整個(gè)管道網(wǎng)絡(luò)、橋架連接，形成完善的接地網(wǎng)絡(luò)。實(shí)測(cè)接地電阻在0.5歐姆以內(nèi)?？刂剖以染桶才帕?×40的扁鋼為接地母線，控制室浪涌保護(hù)器通過(guò)DIN導(dǎo)軌接地到母線上。實(shí)測(cè)接地電阻在0.2歐姆以內(nèi)。 改造后，壓氣站控制系統(tǒng)上電工作一切正常。 四 結(jié)束 深圳萬(wàn)訊公司MSU系列浪涌保護(hù)器結(jié)合了過(guò)程控制的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在安裝和接地兩方面有妥善的考慮，因此在各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工程中能快捷的投入使用。而且，考慮到在石化行業(yè)很多需要在防爆現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，已經(jīng)有相當(dāng)部分型號(hào)獲得國(guó)家本安防爆認(rèn)證，為在石化行業(yè)進(jìn)一步推廣鋪平了道路。 參考文獻(xiàn) 1.《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2004 2.《信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的浪涌保護(hù)器基本要求和測(cè)試方法》YD/T1542-2006 過(guò)程控制系統(tǒng)的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)――在江漢油田壓氣站的工程應(yīng)用 |
