Analyse der Ursachen für Störungen im DCS-Signal sowie deren Unterdrückung

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Mit der Entwicklung der Industrie in unserem Land steigen auch die Anforderungen an das Niveau der Automatisierung von Industriekontrollsystemen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden DCS-Systeme zunehmend in der industriellen Automatisierung eingesetzt. Daher hat die Zuverlässigkeit des DCS-Steuerungssystems direkten Einfluss auf die sichere Produktion und den wirtschaftlichen Betrieb von Industrieunternehmen, wobei die Störfestigkeit des Systems entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb des gesamten Systems ist. Derzeit befinden sich die verschiedenen Steuerungssysteme, die in automatisierten Systemen verwendet werden, meist in einer schwierigen elektromagnetischen Umgebung, die durch Hochspannungsnetze und Hochspannungsgeräte entsteht. Auf der Baustelle kommt es beim Signaltransfer zwischen elektrischen Geräten, Messgeräten, DCS-Steuerungssystemen sowie zwischen den verschiedenen DCS-Systemen oft zu Störungen. Dies kann zu Instabilitäten im System oder sogar zu Fehlfunktionen führen – daher muss man diesem Problem Aufmerksamkeit schenken. —— Welche Störquellen gibt es hauptsächlich – Störungen durch Widerstandskopplung? Im Betrieb entstehen diese Störungen, weil viele Fabriken das Problem des Alters der Kabel nicht ernst genug nehmen. Wenn mehrere Signalleitungen gleichzeitig Signale übertragen, kann durch das Altern des Isoliermaterials an den Leitungen ein Stromabfluss entstehen, der die Übertragung der anderen Signale beeinträchtigt und Störungen verursacht. Darüber hinaus kann nicht nur das Altern der Signalleitungen Auswirkungen auf andere Signalleitungen haben, sondern auch bei einigen Hochleistungs-Schaltungen (zum Beispiel Wärmeproduzierende Schaltungen) führt das Altern der Leitungen im Betrieb zu erheblichen Störungen der Signale. Störungen durch kapazitive und inductive Kopplung: In der Regel sind die Steuerkästen vor Ort mit zahlreichen Signalleitungen verbunden. Dabei werden teilweise Kabelkanäle und teilweise Kabelrohre verwendet. Insbesondere wenn viele Signale gleichzeitig verlegt werden, entsteht aufgrund der kapazitiven Verbindungen zwischen den Signalen Störungen bei anderen Signalleitungen. Insbesondere entsteht um die Kommunikationssignalleitungen ein wechselnder Magnetfluss, der wiederum eine Potentialdifferenz zwischen den parallelen Leitern erzeugt und so Störsignale verursacht. Störungen durch Blitze: Wenn ein Blitz einschlägt, können erhebliche elektromagnetische Störungen in der Nähe des gewünschten Signals entstehen. Die Quellen dieser Störungen liegen natürlich auch in den verschiedenen Erdungsleitungen. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Störungen durch Blitzeinschläge: Eine davon betrifft die Übertragungsleitungen für Strom – dadurch können die Signalleitungen durch den Blitzeinschlag gestört werden ； Eine weitere Möglichkeit ist, dass der Signalkabel von einem Blitz getroffen wird. Dadurch entstehen Kapazitäts- und Induktivkopplungen entlang des Signalkabels, was wiederum zu erheblichen Störungen führt. In schweren Fällen können dadurch Geräte beschädigt werden und es können Personenschäden auftreten. Störungen in den Stromversorgungsleitungen: Da die großen Anlagen in den Kraftwerken häufig gestartet und gestoppt werden, finden auch häufig Schaltvorgänge an diesen großen Komponenten statt. Beim Schalten dieser großen Motoren entstehen kurzfristig starke wechselnde Magnetfelder. Wechselnde Magnetfelder führen zu einer Kopplung an den Signalleitungen, wodurch Störungen im System entstehen. Zudem verursachen diese Wechselmagnetfelde hocheffektive Störungen in den Stromversorgungsleitungen. Wenn der Ausmaß dieser Störungen die zulässigen Grenzen überschreitet, hat das ebenfalls Auswirkungen auf das System. Um das System beim Schalten großer Motoren zu schützen, kann man Transformatoren in den Stromkreis einbauen. Dadurch wird verhindert, dass durch zu große Spannungsschwankungen ein wechselndes Magnetfeld entsteht, wenn der Motor geschaltet wird. —— Die Hauptursachen für Störungen sind Probleme mit den Materialien und Geräten. Die Steuersignale, die in das DCS-System eingespeist werden, werden in der Regel über Kabel als Übertragungsmedium an das DCS-System gesendet. Wenn das Isoliermaterial der Signalkabel altert oder die Abschirmung beschädigt wird, können sie von anderen elektromagnetischen Störquellen beeinflusst werden. Dadurch entstehen Messfehler; bei starken Störungen kann es sogar zu Schäden an den Geräten kommen. Unregelmäßige Bauarbeiten: Im DCS-Steuerungssystem werden oft viele Signale gleichzeitig an das DCS angeschlossen. Diese Signalleitungen verlaufen entweder in Kabelkanälen oder in Kabelrohren, wodurch auf der Baustelle viele verschiedene Arten von Kabeln denselben Weg teilen müssen. Zwischen diesen Signalen besteht jeweils eine verteilte Kapazität, durch die Störungen auf andere Signalleitungen übertragen werden. Gleichzeitig entsteht in der Umgebung des übertragenen Signals ein wechselnder Magnetfluss – beispielsweise erzeugen Leitungen, Motoren, Generatoren, Netztransformatoren und Relais solche Magnetfelder. Diese Magnetfelder verursachen oft erhebliche Störungen. Unangemessene Erdung: Ein häufiges Problem bei der Erdung ist, wenn beide Enden der Signalleitungen geerdet sind. Dadurch entstehen aufgrund des Potentialunterschieds erhebliche Störungen. Wenn beide Enden der Signalleitung gleichzeitig geerdet werden, kann es zu einem großen Potentialunterschied kommen. Dieser Potentialunterschied kann wiederum einen starken Kreisstrom in der Signalleitung zwischen den beiden Enden erzeugen. Erzeugt elektromagnetische Wellen, Störsignale. Außerdem entspricht der Gesamtwiderstand der Erde des DCS-Systems nicht den Anforderungen für einen ordnungsgemäßen Betrieb des DCS-Systems usw. —— Wie man Störungen vermeidet – um eine ordnungsgemäße Nutzung der Signalleitungen zu gewährleisten. Bei der Verwendung der Signalleitungen sollte man vermeiden, dass mehrere Leitungen miteinander verheddern. Zudem sollten die Signalleitungen regelmäßig überprüft werden. Leitungen, bei denen die Isolierschicht beschädigt ist, müssen repariert oder ausgetauscht werden, damit die Signalleitungen ordnungsgemäß funktionieren können. Dadurch wird verhindert, dass es zu Leckströmen kommt, die wiederum Störungen bei der Übertragung der Signale verursachen könnten. Die Kabel sollten in Schichten verlegt werden. Dadurch werden die Kabel, die unterschiedliche Signale übertragen, voneinander getrennt. Durch die schichtweise Verlegung kann eine bestimmte Ordnung bei den Kabeln gewährleistet werden, sodass keine Wechselwirkungen zwischen den Kabeln entstehen. Auch bei Kabeln, die denselben Signalen übertragen, sollte man eine zu starke Verflechtung der Leitungen möglichst vermeiden. Da Computeranschlüsse Signale bei ihrer Verarbeitung bis zu einem gewissen Grad präzise analysieren können, kann es zu Störungen kommen, wenn ähnliche Signale ineinander interferieren. Dies wiederum kann dazu führen, dass der Computer Fehler bei der Analyse macht. Signalleitungsisolierung: Während des Betriebs der Geräte kann die Isolierung der Signale durch Kabelisolation erfolgen, um zu gewährleisten, dass die Signale sich nicht gegenseitig beeinflussen. Doch die Trennmethoden können nicht nur die Übertragungsleitungen voneinander trennen, sondern auch die Signale am Computer getrennt voneinander behandeln. Durch diese Trennmethoden kann der Schaden, den gemeinsame Störungen am Computer verursachen, erheblich verringert werden. Man kann auch Trennverstärker verwenden, um die Eingangsebene des Signals vollständig vom Computer zu trennen. Auf diese Weise können Schleifen zwischen störenden Signalen verhindert werden, wodurch die Schäden durch Störungen verringert und ein reibungsloser Betrieb des Systems gewährleistet wird. Isolierung des Stromversorgungssystems: Da in einigen Anlagen häufig leistungsstarke Motoren eingeschaltet und ausgeschaltet werden, entstehen während dieses Vorgangs Hochfrequenzsignale. Um zu verhindern, dass diese Hochfrequenzstrahlungen Störungen im System verursachen, können Transformatoren in die Stromleitungen eingebaut werden. Dadurch können die durch das Ein- und Ausschalten der leistungsstarken Motoren entstehenden Hochfrequenzstrahlungen eingedämmt werden, wodurch eine Beeinträchtigung des Systems vermieden wird. Dreifachwicklung und Abschirmung: Die Dreifachwicklung von Signalleitungen, also die Verwendung von Twisted-Pair-Kabeln anstelle von parallelen Leitungen, ermöglicht es, Störungen durch Magnetfelder zu reduzieren. Abschirmung bedeutet, Komponenten, Baugruppen sowie Signalleitungen mit metallischen Leitern zu isolieren. Abschirmung kann störenden kapazitiven Kopplungsrauschen effektiv unterdrücken. Die gängige Methode ist die Verbindung von Analogsignalen über verdrahtete Paare. In der Regel stören nicht nur elektrische Störungen das Signal, sondern auch starke wechselnde Magnetfelder. Daher muss nicht nur auf die elektrische Abschirmung geachtet werden, sondern auch auf die magnetische Abschirmung. Zur Umsetzung von Abschirmmaßnahmen können Leiter mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften verwendet werden – wie zum Beispiel Eisen oder Nickel. Eine ordnungsgemäße Erdung ist für das DCS-Erdungsystem von zwei Seiten her wichtig: Einerseits kann es bei dem Eintreten von Signalen oder Stromquellen in das DCS-System sowie im Falle von Störungen im System überschüssigen Strom aufnehmen und diesen in den Boden leiten ； Andererseits kann das Erdungsystem dem DCS eine Abschirmung bieten, wodurch elektromagnetische Störungen abgeschirmt werden können. Gleichzeitig kann es allen Systemen einen Referenznullpotential bereitstellen. Daher umfasst das DCS-System in der Regel zwei Erdungen: eine für den Betrieb und eine für den Schutz.