DCS控制系統(tǒng)抗干擾能力分析

1、DCS控制系統(tǒng)抗干擾能力分析摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，DCS在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。 DCS空 制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，而系統(tǒng)的抗干擾能力則是關(guān)系整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。自動化系統(tǒng)中所使用的各種類型DCS有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場和各電機設(shè)備上， 它們大多處在 強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高DCS空制系統(tǒng)可靠性，一方面要求DCS生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面，要求工程設(shè)計、安裝 施工和使用維護中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng) 的抗干擾性能。而DCS接地系統(tǒng)的可靠性，又在很大程度上決定了該系統(tǒng)

2、抗干擾 能力的強弱。關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)可靠性抗干擾能力接地1干擾源及干擾的一般分類影響DCS空制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣，大都產(chǎn) 生在電流或電壓劇烈變化的部位， 這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源， 即干擾 源。干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、干擾模式和干擾的波形性質(zhì)的不同劃分。其中：按干擾產(chǎn)生的原因不同，分為放電干擾、浪涌干擾、高頻振蕩干擾等；按 噪聲的波形、性質(zhì)不同，分為持續(xù)干擾、偶發(fā)干擾等；按干擾模式不同，分為共 模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。 共模干擾 是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感 應(yīng)的共態(tài)（同方

3、向）電壓迭加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能 差的配電器供電室，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，（這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因），這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作 用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電 路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，這將直接影響測量與控制精度。2 DCS控制系統(tǒng)中干擾的主要來源由于測控信號是一種微弱的直流或變化緩慢的交變信號，最后還有過長距離 傳輸過程，因此像大功率電機和其它電氣設(shè)備產(chǎn)生的磁場，高壓電氣設(shè)備產(chǎn)生的電場以及各種電磁波輻射等的

4、存在和變化都將以不同的途徑和不同的方式混入 測控系統(tǒng)中。通常來說干擾儀表測控系統(tǒng)的干擾源主要有電力網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備的 暫態(tài)過程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統(tǒng)電源線、信號引線、接地等引起的系統(tǒng)外引線干擾。這些干擾總體上分為兩大類：外部干擾和內(nèi)部干擾，詳細(xì)分析 無外乎由于輻射、溫度、濕度、振動、傳輸、感應(yīng)、電源、接地幾個方面。下面 對常見的幾種干擾機制進行分析：2.1來自空間的輻射干擾空間的輻射電磁場主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、 電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電 廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極 為復(fù)雜。若DCSS統(tǒng)置于所射頻場內(nèi)，就會受到輻射干擾，其影響主要通過兩條

5、路徑：一是直接對DCS內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對DCS!信內(nèi)網(wǎng) 絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生 的電磁場大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和 DCSW部屏蔽及高壓 泄放元件進行保護。2.2來自系統(tǒng)外引線的干擾：主要通過電源和信號線引入。2.2.1 傳導(dǎo)干擾(1) 當(dāng)幾種信號電纜在一起傳輸時，由于絕緣材料老化、漏電而影響到其 它信號，即在其它信號中引入干擾。(2) 在一些現(xiàn)場儀表中，采用220V電源供電，有時設(shè)備燒壞，或者人為因 素，造成電源與信號電纜間短路，強電竄入弱電，造成較大的干擾和設(shè)備損壞。(3) 由于接地不合理引起的共模干擾。

6、如果信號電纜的兩端同時接地，則 兩點的接地系統(tǒng)可能出現(xiàn)電位差異 E,可能會在信號電纜上產(chǎn)生一個很大的環(huán) 流，疊加在信號電流上，造成模擬量信號波動，嚴(yán)重時可能引起卡件故障。(4) 在運行過程中，卡件發(fā)出的采集信號長時間接地，形成的接地電流超 過允許值，導(dǎo)致通道損壞。以上這幾種傳導(dǎo)干擾中，由于現(xiàn)代儀控系統(tǒng)自身的設(shè)備狀態(tài)都有保障，因此, 由于絕緣材料老化或設(shè)備燒壞等原因引起的干擾較少出現(xiàn)， 而由于接地引起的干 擾較為常見，也比較難以捉摸，應(yīng)該給予足夠的重視。2.2.2電容電感耦合干擾工業(yè)控制系統(tǒng)有幾十乃至幾百個輸入輸出通道分布在其中，導(dǎo)線之間形成相 互耦合是通道干擾的主要原因之一在被控現(xiàn)場，往往有很

7、多信號走電纜槽同時接入控制系統(tǒng)， 這些信號電纜在 一起走線，之間均有分布電容存在，會通過這些分布電容將干擾加到別的信號電 纜上。另外，在交變信號電纜的周圍會產(chǎn)生交變的磁通， 而這些交變磁通會在并 行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動勢，這也會造成線路上的干擾。2.2.3計算機供電線路上引入的干擾在大型電氣設(shè)備啟動和開關(guān)裝置動作頻繁的地方，電動機的啟動、開關(guān)的閉合產(chǎn)生的火花會在其周圍產(chǎn)生很大的交變磁場.這些交變磁場既可以通過在信號 電纜上耦合產(chǎn)生干擾，也可能通過在電源電纜上耦合產(chǎn)生高頻干擾， 這些干擾如 果超過容許范圍，同樣會影響系統(tǒng)的工作。2.2.4其它因素接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性的有效手段之一。 正確的

8、接地，既能抑 制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴(yán) 重的干擾信號，使DCS系統(tǒng)將無法正常工作。雷擊可能在系統(tǒng)周圍產(chǎn)生很大的電磁干擾，也可能通過各種接地線引入干擾。靜電也往往成為毀壞系統(tǒng)設(shè)備的殺手。綜上所述，我們可以總結(jié)出各種干擾源對測量裝置及檢測系統(tǒng)產(chǎn)生干擾電流(電壓)，需同時具備三個要素：干擾源；傳播途徑；接收器。3 DCSB制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾，必須從設(shè)計階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源；切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑； 提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點就是抑制電磁干擾的基本原則。 隨著裝置 的自動

9、化水平日益提高，智能化儀表的普遍應(yīng)用，以上幾種措施在硬件方面通常 采取隔離、屏蔽、抑制、接地、雙絞、濾波技術(shù)實施完成。在軟件方面，像數(shù)字 濾波、數(shù)字處理等更多的抑制干擾的措施和方法得以應(yīng)用，儀表測控系統(tǒng)安全水 平大大提高。3.1隔離的主要目的是通過隔離元件把干擾源的路徑切斷，從而達(dá)到抑制干擾的效果。隔離包含兩種意義：一為可靠絕緣，即保證導(dǎo)線之間不會產(chǎn)生漏電流，所 以要求導(dǎo)線絕緣材料的耐壓等級、 絕緣電阻必須符合規(guī)定；另一為合理配線，即 要求信號線盡量避開干擾源。3.2屏蔽是抑制干擾的重要方法。屏蔽和抑制是用金屬導(dǎo)體把被屏蔽的元件、組 合件、電路及信號線包圍起來，主要用于抑制電容性藕合噪聲，效果

10、很好，除了 電氣屏蔽，還有強交變磁場的干擾，因此還應(yīng)考慮磁屏蔽，即用導(dǎo)磁性能好的導(dǎo) 體進行屏蔽。要是屏蔽起作用，屏蔽層必須接地，有的采用單點接地，有的采用 多點接地，多點接地不便時，在兩端接地。主要的理論依據(jù)是：屏蔽層也是一個 導(dǎo)線，當(dāng)其長度與電纜芯傳送信號的四分之一波長接近時，屏蔽層相當(dāng)于一根天線。在DCS系統(tǒng)中，低頻的信號線，只能將屏蔽層的一端接地，否則屏蔽層兩端 的電位差會在屏蔽層中形成電流，產(chǎn)生干擾，對于信號頻率較高的（100KHZ信 號推薦兩端接地。3.3接地按其作用可分為保護性接地和功能性接地。3.3.1保護性接地331.1放電擊接地：為了防止電氣設(shè)備絕緣損壞或產(chǎn)生漏電時，使平時不

11、帶電 的外露導(dǎo)電部分帶電而導(dǎo)致電擊而將設(shè)備外露導(dǎo)電部分接地，稱為放電擊接地。這種接地，也是通常的狹義的“保護接地”，它又分為保護導(dǎo)體接地（ PE也稱 為保護接地），和保護中性導(dǎo)體接地（PEN也稱為保護接零）兩種。3.3.1.2 防雷接地：將雷電導(dǎo)入大地，防止雷電流、雷磁場使設(shè)備受到損害。331.3 防靜電接地：將靜電導(dǎo)入大地，防止雷電流、雷磁場使設(shè)備受到損害。331.4 放電蝕接地：地下埋入金屬體作為犧牲陽極或陰極， 防止電纜、金屬管 等受到電蝕。3.3.2功能性接地3.3.2.1邏輯地：也稱為電源地，邏輯地一般可以在機柜內(nèi)以星型方式聯(lián)結(jié)到一 點，該點一般也是與機柜絕緣的匯流條。通常，邏輯地可

12、與屏蔽地共用匯流條。 3.322屏蔽接地：將電氣干擾源引入大地，抑制外來電磁干擾對電子設(shè)備的影 響，同時也可減少自身對外的干擾。良好的接地是使工業(yè)控制機系統(tǒng)穩(wěn)定運行、消除干擾的重要措施。如果應(yīng)用 得法，可以明顯提高系統(tǒng)的抗干擾能力 雙絞：雙絞線代替兩根平行導(dǎo)線是抑制磁場干擾的有效方法。在雙絞線每個絞扭環(huán)中會通過交變的磁通，這這些變化的磁通會在周圍的導(dǎo)體中產(chǎn)生電動勢，他由電磁感應(yīng)定律決定，而相鄰絞扭環(huán)中在同一導(dǎo)體上的電動勢方向相反，相互抵消，因此對電磁干擾起到了較好的抑制效果。 在單位長度內(nèi)的交數(shù)越多，抑制干擾的 能力越強。4主要抗干擾措施采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾在DCS空制系統(tǒng)中

13、，電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入DCS空制系統(tǒng)主 要通過DCS系統(tǒng)的供電電源（如CPU電源、I/O電源等）、變送器供電電源和與 DCS系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的。系統(tǒng)電源應(yīng)該有冗 余，各路配電模件應(yīng)該有獨立的過壓、過流等保護。DCS系統(tǒng)接地點和動力強電系統(tǒng)接地如果共地，接地電阻必須w 1Q, DCSm果單獨接地，接地電阻w 4Q, DCS供電要盡量取自負(fù)荷變化小的電網(wǎng)上。要嚴(yán)格防止強電通過端子排線路串入24VDC供電回路，并定期檢查機柜電源系統(tǒng)是否正常、供電電壓是否在規(guī)定范圍 內(nèi)、系統(tǒng)接地是否可靠、良好、線路絕緣是否合格，停、送電按要求程序執(zhí)行.此外，位保證電網(wǎng)饋點不中

14、斷，可采用在線式不間斷供電電源（UPS供電，提 高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強的干擾隔離性能，是DCS空制理想電 源。通過以上工作，這方面的風(fēng)險就可以有效避免。電纜敷設(shè)4.2.1信號分類在DCS工程項目中常見的信號可以作如下分類：I類信號：熱電阻、熱電偶信號、毫伏信號、應(yīng)變信號等低電平信號U類信號：05V、15V、420mA 010mA模擬量輸入信號；420mA 010mA莫擬量輸出信號，電平型開關(guān)量輸入信號；觸點型開關(guān)量輸入信號；脈 沖量輸入信號。川類信號：20V48VDC感性負(fù)載或者電流大于50mA的阻性負(fù)載的開關(guān)量輸 出信號。W類信號：110VAC或 110VAC開關(guān)量輸出信號

15、，此類型號的饋線可以視作電 源線處理布線問題。其中，I類信號很容易被干擾，U類信號容易被干擾，而川類和W類信號在 開關(guān)動作瞬間會成為強烈的干擾源，通過空間環(huán)境干擾附近的信號線。對于I類信號必須采用屏蔽電纜，最好是屏蔽雙絞電纜；U類信號盡可能采 用屏蔽電纜，其中用于控制聯(lián)鎖的模入模出信號、開入信號，必須采用屏蔽電纜， 最好是屏蔽雙絞電纜；川類信號允許與220V電源線一起走線，也可與I、n一 起走線，但后者情況川類信號必須采用屏蔽電纜， 最好為屏蔽雙絞電纜，且與I、 n類信號電纜相距150mm以上。條件允許的情況下，IW類信號盡可能采用屏 蔽電纜或屏蔽雙絞電纜，必須保證屏蔽層只有一點接地，且接地狀

16、態(tài)良好。4.2.2正確敷設(shè)電纜的前提是對信號電纜進行正確分類， 將不同種類的信號線隔 離鋪設(shè)（不在同一電纜槽中，或用隔板隔開），使模擬信號部分，相互間的信號 耦合為最小。禁止大功率的開關(guān)量出線信號、電源線、動力線等電纜與直接進入 dcs系統(tǒng)的I、n類信號電纜并行捆綁，這些線的電纜與信號電纜之間的距離應(yīng) 該大于600mm建議單獨走線。絕對禁止多芯電纜中部分芯傳輸I或n類信號其 它芯用于傳輸川類或w類信號。嚴(yán)禁同一信號的幾芯線分布在不同的幾條電纜 中。當(dāng)動力線和信號線平行敷設(shè)時，兩者必須保持一定的間距，不同信號輻值的 信號線不宜穿在同一導(dǎo)線管內(nèi)。在采用金屬匯線槽敷設(shè)時，不同輻值導(dǎo)線、電纜 與電力線

17、需用金屬隔板隔開。信號回路必須要有唯一的參考地，屏蔽電纜遇到有 可能產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的場合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地環(huán)路”。 4.2.3儀表信號電纜與電力電纜交叉敷設(shè)時，宜成直角，與電力電纜平行敷設(shè)時， 兩者之間的最小距離應(yīng)符合下表的規(guī)定：電力電纜的電壓與工作電流信號電纜和電力電纜平行敷設(shè)的長度 m 100 250 500v 500125V, 10A50(mm)1002001200250V, 50A1502004501200200-400V, 100A2004506001200400-500V，200A30060090012003000-10000V,50A60090012001

18、200硬件濾波及軟件抗干擾措施信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號 兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。由于電磁干擾的復(fù)雜性，要根本消除硬件干擾影響是不可能的，因此在DCS控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和組態(tài)時，還應(yīng)在軟件方面進行抗干擾處理， 進一步提高系 統(tǒng)的可靠性。常用的一些措施：數(shù)字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干 擾；定時校正參考點電位，并采用動態(tài)零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗 余技術(shù)，設(shè)計相應(yīng)的軟件標(biāo)志位；采用間接跳轉(zhuǎn)，設(shè)置軟件陷阱等提高軟件結(jié)構(gòu) 可靠性。正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)DCS8地系統(tǒng)的可靠性，又在很大程度上決定了該系統(tǒng)抗干擾能力的強弱。 所以，DCS接地系統(tǒng)應(yīng)該具備二種功能：1、當(dāng)進入DCSS統(tǒng)的信號、供電電源 或DCS系統(tǒng)設(shè)備本身出現(xiàn)問題時，能有效地承受過載電流并可以迅速將過載電流導(dǎo)入大地。2、接地系統(tǒng)應(yīng)能夠為DCS提供屏蔽層，消除電子噪聲干擾，并為整 個控制系統(tǒng)提供公共信號參考點，即參考零電位。為了滿足上述功能，DCS系統(tǒng)一般具有2個接地，即保護接地和工作接地。其他在正常維護和檢修過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守自動化儀表的檢維修規(guī)定，遵照相關(guān)的操作規(guī)程、規(guī)范進行作業(yè)，養(yǎng)成良好的作業(yè)習(xí)慣，以避免人為造成不良后果。4.5.