技术痴
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随着电子工业领域的不断发展，自动化仪表系统在流程性工业领域的重要性日渐突出。仪表系统工作的稳定性、可靠性问题直接影响企业的安全平稳生产、产品质量，甚至影响企业的效益。事实上，仪表系统的工作环境非常复杂，周边存在着各种干扰源，使得仪表系统的仪表准确度降低，甚至不能正常、可靠工作。因此，为了能让仪表系统安全、稳定、可靠地工作，就要对仪表系统的工作环境进行干扰分析，并制定有针对性的解决方案，消除或最大限度的抑制干扰对仪表系统的影响。
1、干扰分析
干扰的形成是因为有干扰源的存在。干扰源有很多种，通常所说的干扰是指电磁干扰。但是广义上热噪声、温度效应、化学效应和振动等都可能给仪表系统造成干扰,如果不能及时有效地排除这些干扰的影响，仪表系统就不能正常工作。
1.1 干扰信号分类
1.1.1 按干扰耦合的形式分类
1） 静电干扰。静电干扰是干扰电场通过电容耦合方式，在仪表系统的信号线上产生的干扰。在仪表系统中信号线上的2 根平行导线之间存在有分布电容，通过分布电容的耦合，1 根导线上的电位会在另1 根导线上感应出相应的电位。当这2 根平行的信号线和动力线近距离敷设时，由于动力线到2 根信号线的距离不同，所产生的分布电容也不同，从而在2 根信号线上产生电位差。电位差可以是毫伏级或更高的电压级别。
2）电磁干扰。电磁干扰分传导干扰和辐射干扰2 种。仪表系统的传导干扰是指通过仪表信号线引入的干扰；辐射干扰是指干扰磁场通过辐射方式对仪表系统信号线产生的干扰。仪表系统工作环境中的电磁干扰主要来自装置区内部电力或电子设备的交变电流产生的交变磁场，这种变化的磁场会使得该磁场范围内的仪表测控回路产生相应的感应电势。
3）漏电耦合干扰。漏电耦合干扰是指由于回路间绝缘不好，高电位回路通过绝缘电阻向地电位回路漏电而引起的干扰，这种干扰的大小与回路间的绝缘电阻值成反比。
4）共阻抗耦合干扰。共阻抗耦合干扰是指在2 个及以上回路中共用1 个阻抗，当1 个回路有电流产生时，就会在另1 个或多个回路上产生相应的干扰电压。这类共阻抗耦合干扰有3 种，分别是电源内阻共阻抗耦合干扰、公共地线共阻抗耦合干扰和信号输出电路共阻抗耦合干扰。
1.1.2 按干扰模式分类
1）串模干扰信号
串模干扰是指在仪表输人端之间出现的干扰，也就是叠加于被测信号上的交流干扰电压，这种干扰又称为“差模干扰” “横向干扰”或“端间干扰”。串模干扰的幅值极为有限，但是因为这种干扰与被测信号所处的地位相同，所以一旦产生串模干扰，就不容易消除。
当串模干扰的幅值与仪表回路的实际信号幅值相接近时，就会导致仪表系统出现异常，甚至无法正常工作。串模干扰的来源主要是大功率变压器、交流电动机、变频器等电气设备产生的较强的交变磁场。
2）共模干扰信号
共模干扰一般指在2 根信号线上产生的幅度相等，相位相同的干扰，这种干扰又称为“对地干扰”和“纵向干扰”。仪表系统的共模干扰信号的幅值可能达到几伏至几十伏的范围，通常对于平衡测量回路，共模干扰不会对其测量产生影响，但是，对于不平衡回路，共模干扰就会被转化为串模干扰，对测量结果产生影响。
共模干扰的来源主要是高压动力线、高压电源等强电场。
1.1.3 按干扰源的类型分类
1）外部干扰信号。来自仪表系统外部的干扰称为外部干扰，它与仪表系统本身无关，由外部环境（仪表系统周围的电和磁）决定。在生产装置区的电气电源、大型电机、电气开关、变频器、动力电缆等都属于仪表系统的外部干扰源。
2）内部干扰信号。内部干扰是由于仪表内部的电子线路的热效应和散粒效应所造成的，内部干扰的抑制是仪表电子线路设计单位和制造单位研究解决的问题。
1.2 干扰源的干扰机制
由于仪表系统的测控信号都是经一定距离传输的弱电信号，所以传输过程中不可避免地会受到周围的磁场、电场等干扰源的干扰。干扰仪表系统的干扰源主要包括装置区内电气设备和动力电缆产生的的辐射干扰和仪表系统电源线、信号引线、接地等引进的系统外引线干扰。
1.3 干扰的影响
干扰对仪表系统的影响十分严重，静电干扰和电源干扰会对仪表元器件造成较大地损坏，严重时会造成仪表无法工作。电磁干扰会使仪表系统接收到的信号失真，甚至会出现错误的信号，这样，经过仪表系统处理而输出的信号也会是错误的，会对生产造成不可估量的损失。
2、解决方案
干扰信号能够对自动化仪表系统产生影响，必须具备3 个条件，分别是干扰源、耦合通道和对干扰敏感的接收电路 。这3 个条件，缺一不可。要解决干扰问题，就必须从消除或抑制干扰源、破坏干扰途径和削弱接收电路对干扰的敏感性等3 方面开展工作。下面分别在项目设计、采购、施工、维护等阶段，介绍相应的干扰解决方案。
2.1 设计阶段抑制干扰问题的解决方案
设计阶段是解决干扰问题的关键阶段，这个阶段应该从消除或抑制干扰源、破坏干扰途径上着手，在电气仪表设备的布置、仪表设备及材料选型、电气仪表电缆敷设路径、电源系统隔离和滤波以及完善接地系统等方面考虑，采取必要的措施，消除或减少仪表系统的干扰问题。
2.1.1 隔离方案
隔离包括2 种含义：一是可靠的绝缘，另一个是合理配线。隔离的目的是消除或抑制干扰源。
可靠绝缘，即保证导线之间不会产生漏电流，一般常用的隔离技术为变压器隔离、继电器隔离或光电耦合器隔离。
合理配线，即要求仪表信号线尽量避开干扰源，譬如当仪表信号线与动力线平行敷设时，在设计上要符合“仪表配管配线设计规范HG/T20512-2014”中关于仪表电缆与电力电缆平行敷设的最小允许距离的要求。两者交叉时，要尽可能垂直，这样可以有效抑制共模干扰的影响。另外，在强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽来抑制共模干扰。
在设计阶段审查时，要重点关注仪表设备及仪表信号电缆与大型电机、变压器、变频器、高压电缆等电气设备的距离，因为距离能降低电磁干扰的强度，也就降低了电磁干扰对仪表信号的影响。
2.1.2 屏蔽方案
屏蔽是使用金属导体把被屏蔽的仪表设备和线路包围起来。屏蔽的目的是阻断电磁场的耦合，破坏干扰途径，抑制各种电磁场的干扰。一般在工程设计中，对于设置在电磁干扰环境中的仪表系统，应该选用带屏蔽层的仪表信号电缆，这种屏蔽，一般称为被动屏蔽。
在进行工程设计时，还可以把电力电缆、视频线、通讯线等干扰源进行屏蔽，不让电力线或磁力线溢出屏蔽层，这种屏蔽称为主动屏蔽。主动屏蔽比被动屏蔽在抑制干扰方面效果更好。
2.1.3 绞线方案
用双绞线代替2 根平行导线是抑制磁场干扰的有效方法。对于低电平的仪表信号线，当周围环境存在磁场干扰时，采用这种类型的导线能有效地抑制磁场的串模干扰。
2.1.4 接地方案
仪表系统的接地包括工作接地、保护接地、本安系统接地和防静电接地等，其设计应符合 “石油化工仪表接地设计规范SH/T3081-2003” “仪表系统接地设计规范HG/T20513-2014”。把仪表系统信号线进行屏蔽并不能完全抑制干扰，只有把屏蔽进行正确接地，才能达到抑制干扰的目的。
工作接地包括信号回路接地和屏蔽接地。信号回路接地应满足下列要求：
1）在自动化仪表系统的设备中，非隔离的信号应建立1 个统一的信号参考点，进行信号回路接地（通常为直流电源负极）；
2）隔离信号可以不接地，隔离应当是每一输入/ 出信号和其他输入/ 出信号的电路是绝缘的，对地是绝缘的，电源是独立且相互隔离的。屏蔽接地应满足下列要求：①仪表系统中用以降低电磁干扰的部件，如电缆的屏蔽层、排扰线、仪表设备上的屏蔽接地端子都应该做屏蔽接地；②室外架空敷设的不带屏蔽层的普通多芯电缆的备用芯应该接地。
齐纳式安全栅应进行本安系统接地，采用隔离式安全栅的本质安全系统不需要专门接地。
仪表系统还要进行防雷和防静电接地，防雷和防静电接地的设计应符合相应的标准规范。
2.1.5 设计选型方案
1）在设计选型阶段，要依据 “石油化工仪表自动化选型设计规范SH/T3005-2016” “自动化仪表选型设计规范HG/T20507-2014”，把好关键仪表设备选型的质量关，重点要从选择对干扰敏感性不高的仪表设备入手，明确仪表技术协议中关于仪表抗干扰方面的技术要求，选用具有较高抗干扰能力（包括内部电磁兼容性，特别是抗外部干扰能力）的产品。
2）考察所选仪表在类似工况下的使用业绩。
3）仪表设备选型时还要考虑选择在信号输入端设置有滤波功能的仪表设备，这样可以抑制串模干扰的影响。
2.2 采购阶段抑制干扰问题的解决方案
采购的仪表设备及材料不得低于所签订的技术协议约定的等级，同时要提供合同设备或材料的质量证明、检验记录和测试报告。需要进行出厂检验测试的，要按照要求组织进行出厂检验测试。
把好仪表设备及材料到货的质量验收关。按照相关规定，仪表设备及材料到货后，应该由建设方和施工方随机抽取样品进行检查和各项校验试验，其余在施工前由施工方进行全部调校，发现问题及时反馈给建设方。
考虑到解决干扰问题，依据计算机与仪表屏蔽电缆的相关标准规范。仪表电缆到货后，对于仪表屏蔽电缆要重点检查屏蔽层是否是分屏加总屏的电缆；查看电缆屏蔽抑制系数是否符合设计要求；检查屏蔽层内聚酯包带的搭盖率是否符合相关标准规范要求；铜丝编织的屏蔽层的单丝直径是否符合相关标准规范要求等内容。
2.3 施工阶段抑制干扰问题的解决方案
施工阶段是抑制仪表系统干扰问题的决定性阶段，这一阶段经常能发现在设计阶段存在的对今后仪表系统形成干扰的问题。施工阶段要严格依据“自动化仪表工程施工及质量验收规范GB50093-2013”进行施工，发现存在干扰问题，要及时协调设计人员进行设计变更，确保在施工阶段不留下干扰的隐患。重点注意以下几项工作：
1）信号屏蔽电缆的屏蔽层应该在控制室侧单点接地，现场仪表接线箱两侧的电缆屏蔽层应在箱内跨接。
2）避免模拟信号与数字信号合用同一根电缆。
3）正确良好的接地，仪表系统的接地连接电阻不应大于1Ω，仪表系统的接地电阻不应大于4Ω。
4）信号线的敷设要远离干扰源，如大功率变压器、交流电动机、变频器等，如果确实避不开，信号电缆应单独穿管配线。
5）信号电缆与电源电缆必须分开敷设，并尽量避免平行敷设。
6）电缆槽内敷设不同用途、不同电压等级的电缆时，应分类布置。
7）导线穿管敷设时，电源线和信号线应在不同的穿线管内。
2.4 维护保养阶段抑制干扰问题的解决方案
装置投入正常生产后，在仪表系统的抗干扰问题上应该主要关注以下几方面工作，发现相应的问题及时进行整改。
1）定期检查仪表屏蔽电缆的屏蔽层是否有破损。
2）检查仪表接地系统：接地系统内各个连接接头是否松动、锈蚀；检查接地系统中的接地线、接地干线和接地总干线的截面是否符合相关标准规范要求；检查接地系统中的接地线、接地干线和接地总干线对地绝缘是否符合相关标准规范要求；检查仪表系统工作接地在工作接地汇总板前是否与保护接地混接；定期检查测试仪表接地系统的接地连接电阻和接地电阻是否符合要求。
3）检查仪表输入/ 输出信号屏蔽线是否进行了可靠的单端接地。
4）检查仪表系统信号电缆、接地线附近是否有强的电磁干扰源。
5）重点关注在已投用的装置区域内进行技术改造时，是否把新安装的大功率电机、变压器、变频器以及高压动力电缆设置或敷设在仪表设备和仪表信号电缆附近。
3、结论
自动化仪表系统中的干扰是一个十分复杂的问题。因此，在解决仪表系统的干扰问题时，应在项目建设的全过程综合各方面的因素，从减少干扰源、切断干扰途径、选择抗干扰能力强的仪表设备和仪表线缆等方面进行全面考虑，合理有效地制定科学的抗干扰解决方案并进行实施，才能保证仪表系统正常工作。
