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獨山子石化公司煉油廠 高智泉 李淑珍 李艷 鄭艷霞
摘要：某煉油廠罐區可燃氣體報警器采用二次表進行報警，但儀表信號線距離長，線間干擾大，使得二次表誤報，報警系統無法正常使用。本文著重介紹了對于儀表專業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來轉換信號，排除干擾。
關鍵字： 信號干擾，PAC系統 ，抗干擾，改造
0、引言
GDS（有毒有害氣體檢測系統）包括可燃氣體報警器和硫化氫報警器等，是保障人身安全的安全設備，在工廠里起著舉足輕重的作用。目前多采用二次表-報警器進行報警顯示。
某罐區有可燃氣體報警器10臺，硫化氫（H2S）報警器10臺，由于導線距離長，且采用的是24芯電纜，在線間形成電容性積累電荷，造成信號干擾，使報警器的二次表因受干擾頻繁產生錯報，無法正常使用。
由于罐區覆蓋面積大，所以信號導線多且雜，而且與220V儀表供電線敷設在同一槽線盒。其中距離較遠的幾十臺報警器的二次表因而受干擾產生錯報，具體有兩種表現形式：一是頻繁產生誤報，即一次表指示不超標，但二次表出現高報；二是聯報，即一臺一次表測得高報信號，卻引起多臺二次表顯示高報，干擾了正常的生產。
可燃氣體報警器的信號線不是屏蔽導線，且沒有為它單獨敷設槽線盒，是導致問題的根本原因。由于現場不能準確判定干擾源，全部更換導線工程量大，投資高。如下圖所示：
圖1 報警器干擾系統結構示意圖
但是，全部更換導線浪費大，工程量大，且罐區現場動火危險性高。因此需要摸索一套工程量小的修補方案來解決問題，保護前期投資。
1、改造方案選擇
方案一：全部更換受干擾的信號線。重新布槽線盒，更換多線電纜為三芯電纜，每塊一次表單獨一根電纜。
方案二：離現場150米處有一間消防泵房，將20臺表的信號線引到泵房，在泵房內安裝一臺PAC，轉換為數字信號集中傳送到主操作室，泵房到主操作室只需要拉一根光纜，形成現場數字通訊系統。
費用概算如下表：
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名稱 |
數量 |
單價 |
合計 |
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工控機 |
1臺 |
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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敷設槽線盒 |
150米 |
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隔爆箱 |
1個 |
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控制器 |
1臺 |
1萬 |
1萬 |
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現場機柜 |
1臺 |
0.8萬 |
0.8萬 |
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光纜 |
580米 |
18元 |
1.044萬元 |
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光電轉換器 |
2個 |
0.2萬 |
0．4萬 |
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人工費 |
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4萬 |
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合計 |
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9萬元 |
評估：因為光纜不怕電磁干擾，所以不受線間干擾影響也能解決問題。但泵房環境對PAC提出嚴格安裝條件：出于安全考慮，必須要將數采控制器和卡件置于隔爆箱內。但密封的隔爆箱散熱性能差，夏季高溫可能會超出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，所使用的信號都必須經過二次表轉換，且顯示為接點信號，不易觀察具體報警值，很不直觀。
因此，更換一次表為能輸出4~20mA電流信號的模擬表，20臺共花費14萬元。同時，不用二次表顯示，模擬信號直接通過原24芯電纜進入主操作室，接入PAC中，用工控機作為上位機顯示數據。由于電流信號抗干擾性比接信號強，再加上數采控制器的濾波抗干擾特性，應該能解決信號干擾問題。
評估：此方案避免更換電纜的巨大工作量，而且從質的方面升級了系統，大大提高了測量的可靠性和自動化水平。但投資較大。
方案四：更換一次表為能輸出4~20mA電流信號的三線制模擬表，仍用原24芯電纜。由于每臺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行接地處理，讓其不要產生多余的電荷從而造成干擾。
另外，在主操作室加裝1臺20A直流穩壓電源來給一次表供電，增大了供電功率，進一步提高了穩定性。
費用概算如下表：
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名稱 |
數量 |
單價 |
合計 |
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工控機 |
1臺 |
1.5萬 |
1.5萬 |
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控制器 |
1臺 |
1萬 |
1萬 |
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穩壓電源 |
1個 |
0.2萬 |
0．2萬 |
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人工費 |
|
|
1.5萬 |
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合計 |
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4.2萬元 |
評估：此實施方案不用二次表作為顯示設備，節省費用20X0.4萬=8萬元。
2、方案驗證
綜合分析認為，方案四最佳。這套方案不但完全利用了現有的電纜線，還把信號的質量全面提高了，更重要的是這個方案是節省錢的（8-4.2=3.8萬元）。但其有效性需要實驗證明。
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，就只有按方案一實施改造。
2．1、方案四系統配置
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，此系統在我廠已有多套應用，以其運行穩定成為我們的首選產品。也因為這臺控制器的處理能力比較強，為將來罐區所有的儀表（包括油位、溫度、流量等計量值）改造也做好了系統容量的準備。
由于監控需要人機界面（HMI）軟件選用開物2000，這是一套國產軟件，在石化行業有較多應用，在我廠也有多套在用，它有專門針對ADAM-5550KW控制器開發的驅動程序。因為研華公司的ADAM-5550KW控制器運行的是WinCE操作系統，所以這次系統改造中我們暫時還是采用一臺研華工控機來運行開物2000的組態軟件。待以后有時間時再將組態軟件移植到控制器中運行，直接接顯示器就可以了。這樣能省掉一臺工控機的費用。
1、PAC簡介
PAC (Programmable Automation lController，可編程自動化控制器) ，是由ARC咨詢集團的高級研究員Craig Resnick提出的，定義如下:
----具有多重領域的功能，支持在單一平臺里包含邏輯、運動、驅動和過程控制等至少兩種以上的功能。
----單一開發平臺上整合多規程的軟件功能如HMI及軟邏輯, 使用通用標簽和單一的數據庫來訪問所有的參數和功能。
---- 軟件工具所設計出的處理流程能跨越多臺機器和過程控制處理單元, 實現包含運動控制及過程控制的處理程序。
---- 開放式、模塊化構架，能涵蓋工業應用中從工廠的機器設備到過程控制的操作單元的需求。
----采用公認的網絡接口標準及語言，允許不同供貨商之設備能在網絡上交換資料。
使用軟邏輯PAC控制器的優點：
1、強大的PC-BASED 功能：
----大容量的存儲能力
----眾多方便、靈活的通訊端口
----強大的浮點、數學運算能力
----復雜的控制算法（模糊控制）
----強大的軟件功能，方便增加功能庫
---內嵌的低成本以太網
2、編程軟件：
----多任務架構
----國際通用編程標準IEC61131-3，
----同時支持五種語言編程：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
----內存128 MB DDR SDRAM，帶 512KB電池備份
----1xCompactFlash 卡（內部）
---- 操作系統Windows CE 5.0
----實時時鐘有
²----看門狗定時器有
----通訊協議Modbus/RTU 和 Modbus/TCP
----最多節點數32
---- 媒體帶RJ-45接口的2X 以太網接口
---- 傳輸速率10M/100M bps (10/100 Base-T)
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系統部件 |
功能描述 |
備注 |
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ADAM-5550KW |
控制器 |
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ADAM-5017 |
AI卡 |
8點模擬量輸入，接入一次表4-20mA電流信號 |
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研華610H |
工控機 |
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SIEMENS |
24V直流穩壓電源 |
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現場信號直接連接到AI卡ADAM-5017的端子上，用ADAM-5550KW采集到信號值并進行處理后，將數據放入MODBUS存儲區；采用MODBUS TCP協議傳至工控機，再由開物2000軟件完成圖形顯示。
對ADAM-5550KW編程采用KW-Multiprog開發工具進行PLC程序的編寫，硬件配置簡單明了，如下所示：
圖2 改造后的報警器系統結構示意圖
2.2、方案四應用效果
這套方案通過采用研華PAC將現場一次表轉換為數字信號集中傳送到主操作室，構成數字抗干擾優勢代替二次表完成報警功能。方案投用后，原有的強噪信號被有效抑制，干擾幅度不超過0.3%，完全削除了誤報現象，增強了系統的可靠性。而且計算機系統比二次表的優勢是，數據顯示直觀精確，并有歷史記錄功能，受到工藝操作人員的普遍歡迎。
工控機作為顯示設備，可以接收更多的數據，為將來的儀表擴建提供了寬裕的硬件平臺。
工控機的數字量可通過網絡將可燃氣和硫化氫含量值上傳到實時數據庫中。
由此，我們認為方案4，完全滿足了我們的要求，是最佳方案。所以就不再驗證其它方案了。至此，我們圓滿地解決了問題。
3、小結
通過運行最新的高科技含量的計算機和控制設備，只用了少量的投資，就將原有的30萬元的設備盤活了，并從本質上提高了應用效果。而且把改造所需的工程量減到最低。
此項目的成功實施，得到以下經驗：
1、對于儀表專業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來轉換信號，排除干擾。PAC（包括本項目所使用的研華公司的ADAM-5550KW）在信號采集過程中的濾噪功能相當有效，對解決現場干擾提供了避免浪費的修正手段。
2、計算機顯示技術替代二次表顯示是科技進步的必然趨勢。工業控制用的計算機可靠性極高，不但處理能力強大，顯示形式靈活直觀，并且提供對外的實時數據接口。這使控制水平有了質的飛躍。
3、本項目中搭建起來的PAC硬軟件系統是一個容量很大的平臺，可滿足將來罐區所有的儀表（包括油位、溫度、流量等計量值）改造的需要。為罐區自動化水平的提升作了準備。
參考文獻：
1、ADAM-5550KW Series User’s Manual Ed-1.0.pdf
作者簡介：
高智泉，男，1973年生，1996年畢業于西安石油學院計算機應用專業，獲工學學士學位，高級工程師（/現為中國石油大學控制工程專業在讀碩士研究生）；主要從事自動化控制系統的研究。
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