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獨(dú)山子石化公司煉油廠 高智泉 李淑珍 李艷 鄭艷霞
摘要：某煉油廠罐區(qū)可燃?xì)怏w報(bào)警器采用二次表進(jìn)行報(bào)警，但儀表信號(hào)線距離長，線間干擾大，使得二次表誤報(bào)，報(bào)警系統(tǒng)無法正常使用。本文著重介紹了對(duì)于儀表專業(yè)常遇到的線間干擾的故障處理方案，為排除故障提供了新的解決方式，即改用PAC來轉(zhuǎn)換信號(hào)，排除干擾。
關(guān)鍵字： 信號(hào)干擾，PAC系統(tǒng) ，抗干擾，改造
0、引言
GDS（有毒有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)）包括可燃?xì)怏w報(bào)警器和硫化氫報(bào)警器等，是保障人身安全的安全設(shè)備，在工廠里起著舉足輕重的作用。目前多采用二次表-報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警顯示。
某罐區(qū)有可燃?xì)怏w報(bào)警器10臺(tái)，硫化氫（H2S）報(bào)警器10臺(tái)，由于導(dǎo)線距離長，且采用的是24芯電纜，在線間形成電容性積累電荷，造成信號(hào)干擾，使報(bào)警器的二次表因受干擾頻繁產(chǎn)生錯(cuò)報(bào)，無法正常使用。
由于罐區(qū)覆蓋面積大，所以信號(hào)導(dǎo)線多且雜，而且與220V儀表供電線敷設(shè)在同一槽線盒。其中距離較遠(yuǎn)的幾十臺(tái)報(bào)警器的二次表因而受干擾產(chǎn)生錯(cuò)報(bào)，具體有兩種表現(xiàn)形式：一是頻繁產(chǎn)生誤報(bào)，即一次表指示不超標(biāo)，但二次表出現(xiàn)高報(bào)；二是聯(lián)報(bào)，即一臺(tái)一次表測(cè)得高報(bào)信號(hào)，卻引起多臺(tái)二次表顯示高報(bào)，干擾了正常的生產(chǎn)。
可燃?xì)怏w報(bào)警器的信號(hào)線不是屏蔽導(dǎo)線，且沒有為它單獨(dú)敷設(shè)槽線盒，是導(dǎo)致問題的根本原因。由于現(xiàn)場(chǎng)不能準(zhǔn)確判定干擾源，全部更換導(dǎo)線工程量大，投資高。如下圖所示：
圖1 報(bào)警器干擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
但是，全部更換導(dǎo)線浪費(fèi)大，工程量大，且罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)火危險(xiǎn)性高。因此需要摸索一套工程量小的修補(bǔ)方案來解決問題，保護(hù)前期投資。
1、改造方案選擇
方案一：全部更換受干擾的信號(hào)線。重新布槽線盒，更換多線電纜為三芯電纜，每塊一次表單獨(dú)一根電纜。
方案二：離現(xiàn)場(chǎng)150米處有一間消防泵房，將20臺(tái)表的信號(hào)線引到泵房，在泵房內(nèi)安裝一臺(tái)PAC，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)集中傳送到主操作室，泵房到主操作室只需要拉一根光纜，形成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字通訊系統(tǒng)。
費(fèi)用概算如下表：
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名稱 |
數(shù)量 |
單價(jià) |
合計(jì) |
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工控機(jī) |
1臺(tái) |
1.5萬 |
1.5萬 |
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4芯電纜 |
20X150米 |
5.4元 |
1.62萬 |
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敷設(shè)槽線盒 |
150米 |
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隔爆箱 |
1個(gè) |
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控制器 |
1臺(tái) |
1萬 |
1萬 |
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現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜 |
1臺(tái) |
0.8萬 |
0.8萬 |
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光纜 |
580米 |
18元 |
1.044萬元 |
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光電轉(zhuǎn)換器 |
2個(gè) |
0.2萬 |
0．4萬 |
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人工費(fèi) |
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4萬 |
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合計(jì) |
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9萬元 |
評(píng)估：因?yàn)楣饫|不怕電磁干擾，所以不受線間干擾影響也能解決問題。但泵房環(huán)境對(duì)PAC提出嚴(yán)格安裝條件：出于安全考慮，必須要將數(shù)采控制器和卡件置于隔爆箱內(nèi)。但密封的隔爆箱散熱性能差，夏季高溫可能會(huì)超出PAC的工作溫度范圍。
方案三：以上兩種改造方案都需要更換電纜，所使用的信號(hào)都必須經(jīng)過二次表轉(zhuǎn)換，且顯示為接點(diǎn)信號(hào)，不易觀察具體報(bào)警值，很不直觀。
因此，更換一次表為能輸出4~20mA電流信號(hào)的模擬表，20臺(tái)共花費(fèi)14萬元。同時(shí)，不用二次表顯示，模擬信號(hào)直接通過原24芯電纜進(jìn)入主操作室，接入PAC中，用工控機(jī)作為上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)。由于電流信號(hào)抗干擾性比接信號(hào)強(qiáng)，再加上數(shù)采控制器的濾波抗干擾特性，應(yīng)該能解決信號(hào)干擾問題。
評(píng)估：此方案避免更換電纜的巨大工作量，而且從質(zhì)的方面升級(jí)了系統(tǒng)，大大提高了測(cè)量的可靠性和自動(dòng)化水平。但投資較大。
方案四：更換一次表為能輸出4~20mA電流信號(hào)的三線制模擬表，仍用原24芯電纜。由于每臺(tái)一次表由四線改為三線，則可將空余出來的一根電纜線作為屏蔽線進(jìn)行接地處理，讓其不要產(chǎn)生多余的電荷從而造成干擾。
另外，在主操作室加裝1臺(tái)20A直流穩(wěn)壓電源來給一次表供電，增大了供電功率，進(jìn)一步提高了穩(wěn)定性。
費(fèi)用概算如下表：
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名稱 |
數(shù)量 |
單價(jià) |
合計(jì) |
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工控機(jī) |
1臺(tái) |
1.5萬 |
1.5萬 |
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控制器 |
1臺(tái) |
1萬 |
1萬 |
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穩(wěn)壓電源 |
1個(gè) |
0.2萬 |
0．2萬 |
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人工費(fèi) |
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1.5萬 |
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合計(jì) |
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4.2萬元 |
評(píng)估：此實(shí)施方案不用二次表作為顯示設(shè)備，節(jié)省費(fèi)用20X0.4萬=8萬元。
2、方案驗(yàn)證
綜合分析認(rèn)為，方案四最佳。這套方案不但完全利用了現(xiàn)有的電纜線，還把信號(hào)的質(zhì)量全面提高了，更重要的是這個(gè)方案是節(jié)省錢的（8-4.2=3.8萬元）。但其有效性需要實(shí)驗(yàn)證明。
如果方案四不理想，那方案三同樣也不適用。
如果方案四失敗，考慮驗(yàn)證方案二，但要解決PAC的防爆問題，用隔爆箱則帶來散熱問題。
其它三種方案都無法解決問題時(shí)，就只有按方案一實(shí)施改造。
2．1、方案四系統(tǒng)配置
PAC的硬件選用研華公司的PAC控制器ADAM-5550KW，模擬量采集比較多，此系統(tǒng)在我廠已有多套應(yīng)用，以其運(yùn)行穩(wěn)定成為我們的首選產(chǎn)品。也因?yàn)檫@臺(tái)控制器的處理能力比較強(qiáng)，為將來罐區(qū)所有的儀表（包括油位、溫度、流量等計(jì)量值）改造也做好了系統(tǒng)容量的準(zhǔn)備。
由于監(jiān)控需要人機(jī)界面（HMI）軟件選用開物2000，這是一套國產(chǎn)軟件，在石化行業(yè)有較多應(yīng)用，在我廠也有多套在用，它有專門針對(duì)ADAM-5550KW控制器開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序。因?yàn)檠腥A公司的ADAM-5550KW控制器運(yùn)行的是WinCE操作系統(tǒng)，所以這次系統(tǒng)改造中我們暫時(shí)還是采用一臺(tái)研華工控機(jī)來運(yùn)行開物2000的組態(tài)軟件。待以后有時(shí)間時(shí)再將組態(tài)軟件移植到控制器中運(yùn)行，直接接顯示器就可以了。這樣能省掉一臺(tái)工控機(jī)的費(fèi)用。
1、PAC簡介
PAC (Programmable Automation lController，可編程自動(dòng)化控制器) ，是由ARC咨詢集團(tuán)的高級(jí)研究員Craig Resnick提出的，定義如下:
----具有多重領(lǐng)域的功能，支持在單一平臺(tái)里包含邏輯、運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和過程控制等至少兩種以上的功能。
----單一開發(fā)平臺(tái)上整合多規(guī)程的軟件功能如HMI及軟邏輯, 使用通用標(biāo)簽和單一的數(shù)據(jù)庫來訪問所有的參數(shù)和功能。
---- 軟件工具所設(shè)計(jì)出的處理流程能跨越多臺(tái)機(jī)器和過程控制處理單元, 實(shí)現(xiàn)包含運(yùn)動(dòng)控制及過程控制的處理程序。
---- 開放式、模塊化構(gòu)架，能涵蓋工業(yè)應(yīng)用中從工廠的機(jī)器設(shè)備到過程控制的操作單元的需求。
----采用公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)及語言，允許不同供貨商之設(shè)備能在網(wǎng)絡(luò)上交換資料。
使用軟邏輯PAC控制器的優(yōu)點(diǎn)：
1、強(qiáng)大的PC-BASED 功能：
----大容量的存儲(chǔ)能力
----眾多方便、靈活的通訊端口
----強(qiáng)大的浮點(diǎn)、數(shù)學(xué)運(yùn)算能力
----復(fù)雜的控制算法（模糊控制）
----強(qiáng)大的軟件功能，方便增加功能庫
---內(nèi)嵌的低成本以太網(wǎng)
2、編程軟件：
----多任務(wù)架構(gòu)
----國際通用編程標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3，
----同時(shí)支持五種語言編程：梯形圖、功能塊、ST、IL、SFC等，
----編程快速上手，無擾切換
PAC軟邏輯控制器—ADAM-5550KW
----CPU AMDGeode GX533(GX2)
----I/O 能力8槽
----LED 指示燈電源、CPU 和通訊
----內(nèi)存128 MB DDR SDRAM，帶 512KB電池備份
----1xCompactFlash 卡（內(nèi)部）
---- 操作系統(tǒng)Windows CE 5.0
----實(shí)時(shí)時(shí)鐘有
²----看門狗定時(shí)器有
----通訊協(xié)議Modbus/RTU 和 Modbus/TCP
----最多節(jié)點(diǎn)數(shù)32
---- 媒體帶RJ-45接口的2X 以太網(wǎng)接口
---- 傳輸速率10M/100M bps (10/100 Base-T)
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系統(tǒng)部件 |
功能描述 |
備注 |
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ADAM-5550KW |
控制器 |
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ADAM-5017 |
AI卡 |
8點(diǎn)模擬量輸入，接入一次表4-20mA電流信號(hào) |
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研華610H |
工控機(jī) |
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SIEMENS |
24V直流穩(wěn)壓電源 |
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現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接連接到AI卡ADAM-5017的端子上，用ADAM-5550KW采集到信號(hào)值并進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)放入MODBUS存儲(chǔ)區(qū)；采用MODBUS TCP協(xié)議傳至工控機(jī)，再由開物2000軟件完成圖形顯示。
對(duì)ADAM-5550KW編程采用KW-Multiprog開發(fā)工具進(jìn)行PLC程序的編寫，硬件配置簡單明了，如下所示：
圖2 改造后的報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2.2、方案四應(yīng)用效果
這套方案通過采用研華PAC將現(xiàn)場(chǎng)一次表轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)集中傳送到主操作室，構(gòu)成數(shù)字抗干擾優(yōu)勢(shì)代替二次表完成報(bào)警功能。方案投用后，原有的強(qiáng)噪信號(hào)被有效抑制，干擾幅度不超過0.3%，完全削除了誤報(bào)現(xiàn)象，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。而且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)比二次表的優(yōu)勢(shì)是，數(shù)據(jù)顯示直觀精確，并有歷史記錄功能，受到工藝操作人員的普遍歡迎。
工控機(jī)作為顯示設(shè)備，可以接收更多的數(shù)據(jù)，為將來的儀表擴(kuò)建提供了寬裕的硬件平臺(tái)。
工控機(jī)的數(shù)字量可通過網(wǎng)絡(luò)將可燃?xì)夂土蚧瘹浜恐瞪蟼鞯綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。
由此，我們認(rèn)為方案4，完全滿足了我們的要求，是最佳方案。所以就不再驗(yàn)證其它方案了。至此，我們圓滿地解決了問題。
3、小結(jié)
通過運(yùn)行最新的高科技含量的計(jì)算機(jī)和控制設(shè)備，只用了少量的投資，就將原有的30萬元的設(shè)備盤活了，并從本質(zhì)上提高了應(yīng)用效果。而且把改造所需的工程量減到最低。
此項(xiàng)目的成功實(shí)施，得到以下經(jīng)驗(yàn)：
1、對(duì)于儀表專業(yè)常遇到的線間干擾的故障處理，提供了新的解決方式，即改用PAC來轉(zhuǎn)換信號(hào)，排除干擾。PAC（包括本項(xiàng)目所使用的研華公司的ADAM-5550KW）在信號(hào)采集過程中的濾噪功能相當(dāng)有效，對(duì)解決現(xiàn)場(chǎng)干擾提供了避免浪費(fèi)的修正手段。
2、計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)替代二次表顯示是科技進(jìn)步的必然趨勢(shì)。工業(yè)控制用的計(jì)算機(jī)可靠性極高，不但處理能力強(qiáng)大，顯示形式靈活直觀，并且提供對(duì)外的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口。這使控制水平有了質(zhì)的飛躍。
3、本項(xiàng)目中搭建起來的PAC硬軟件系統(tǒng)是一個(gè)容量很大的平臺(tái)，可滿足將來罐區(qū)所有的儀表（包括油位、溫度、流量等計(jì)量值）改造的需要。為罐區(qū)自動(dòng)化水平的提升作了準(zhǔn)備。
參考文獻(xiàn)：
1、ADAM-5550KW Series User’s Manual Ed-1.0.pdf
作者簡介：
高智泉，男，1973年生，1996年畢業(yè)于西安石油學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師（/現(xiàn)為中國石油大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生）；主要從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究。
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