簡析化工儀表控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

1、簡析化工儀表控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)摘要：本文通過簡要分析過程控制系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾信號和可能引控制系統(tǒng)聯(lián)鎖動作不可靠因素，針對性地提出一般解決方法，并結(jié)合具體事例，總結(jié)了防范措施。為儀表安裝工作提供了理論依據(jù), 從而有效的提高了儀器儀表測量的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵字：儀表控制系統(tǒng)抗干擾防范措施1引言隨著DCS、現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，被控及檢測對象分布在裝置不同的地方，它們與控制站之間有較長的距離，受到噪聲干擾的風(fēng)險也隨之增大。其次，它們大多處在強電電路和強電設(shè)備所形成的電磁環(huán)境中，同時也受到來自自空間的輻射、系統(tǒng)外引線干擾等問題。因此，除有用信號外，必然會有一些與被測信號無關(guān)的電流或電壓存在，這種無關(guān)的電流或電壓

2、通稱為“干擾”（噪聲）。在測量過程中，這些干擾若不能很好地處理，那它將歪曲測量結(jié)果，嚴(yán)重時可能使儀表或控制站不能正常工作。大量實踐說明，抗干擾性能是現(xiàn)代化工業(yè)所面臨的重要問題，尤其是在DCS、現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，有效地排除和抑制各種干擾，已成為必需探討和解決的問題 。因此，要提高控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求生產(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(hù)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。2. 干擾源及干擾因素分析影響DCS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

3、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

4、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，這種讓直接疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。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等的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，

5、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(jìn)行分析:2.1 傳導(dǎo)干擾2.1.1 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。2.1.2 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。2.1.3 由于接地不合理引起的共模干擾。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。2.1.4 在運行過

6、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 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，往往有很多信號走電纜槽或者走電纜管同時接入控制系統(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

7、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。2.3 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。2.4 電和磁的干擾電和磁可以通過電路和磁路對控制系統(tǒng)儀表產(chǎn)生干擾作用，電場和磁場的變化會在控制儀表的有關(guān)電路或?qū)Ь€中感應(yīng)出干擾電壓，從而影響控制儀表的正常工作。電和磁的干擾對于控制儀表來說，是最為普遍和最為嚴(yán)重的干擾。控制儀表是由敏感的電子線路構(gòu)成，它們的工作電流很小，并

8、帶有微處理器，故受電磁干擾的影響很大。電磁環(huán)境同溫度、濕度、塵埃、振動、光、有害氣體一樣，是控制儀表工作環(huán)境的一個部分，只是它不易為人們感受到罷了。為了保證它們能正常工作并有較高的可靠性，控制儀表在設(shè)計和制造過程中必須經(jīng)受再現(xiàn)和模擬其工作現(xiàn)場可能遇到的電磁干擾環(huán)境的各種試驗，以使它們的技術(shù)特性符合電磁兼容性要求，否則便會性能下降，工作不正?；虬l(fā)生故障?？刂苾x表受電磁環(huán)境干擾的干擾源主要來自靠近敷設(shè)的動力線、各類開關(guān)裝置、接觸器、繼電器、電焊機以及對講機、廣播電臺、電視臺等產(chǎn)生的電磁輻射。帶有靜電荷的操作人員也能產(chǎn)生干擾。干擾源產(chǎn)生的干擾可以是磁的、電的或電磁的，它們通過儀表的供電線、信號輸入輸

9、出線和外殼，以電感耦合，電容耦合、電磁輻射等形式串入干擾電壓或因本地和遠(yuǎn)方的地(零)電位不同而直接導(dǎo)入。特別需要注意的是變送器在聯(lián)校、檢查和維護(hù)時使用的無線電對講機。其天線附近會形成很強的電磁場。因為距離變送器近。所以對儀表有很大的干擾。為此，變送器在安裝時，應(yīng)考慮密封屏蔽，使用金屬導(dǎo)線管或屏蔽電纜接線。對講機離儀表不要太近，功率不要太大，且不要在儀表蓋打開的情況下使用。3. 通用的抗干擾技術(shù)已知裝置控制系統(tǒng)需要“三要素”同時滿足才會受到干擾，因此只要消除三個要素中任意一個，干擾就不存在了，因此消除和減弱噪聲干擾的方法亦應(yīng)針對三項因素采取措施，即：消除或抑制噪聲源；阻截干擾傳遞途徑；增強儀表電

10、路自身的抗干擾能力。隨著裝置的自動化水平日益提高，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3.1.1 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。譬如3.1.2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

11、圍起來，主要用于抑制電容性藕合噪聲，效果很好，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(jìn)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。3.2 接地按其作用可分為保護(hù)性接地和功能性接地。3.2.1 保護(hù)性接地放電擊接地：為了防止電氣設(shè)備絕緣損

12、壞或產(chǎn)生漏電時，使平時不帶電的外露導(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(hù)接地”，它又分為保護(hù)導(dǎo)體接地（PE，也稱為保護(hù)接地），和保護(hù)中性導(dǎo)體接地（PEN，也稱為保護(hù)接零）兩種。3.2.2 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。3.2.3 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。3.2.4 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 功能性接地3.3.1 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，

13、邏輯地可與屏蔽地共用匯流條。3.3.2 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。3.3.3 本安接地：保證系統(tǒng)向防爆區(qū)傳送的能量在規(guī)定范圍以內(nèi)，將安全柵等設(shè)備安全地連接到供電電源的零電位點。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3.4 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，他有點刺痛感應(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

14、。在單位長度內(nèi)的交數(shù)越多，抑制干擾的能力越強。3.5 軟件抗干擾技術(shù)：工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境硬件抗干擾措施無能為力，譬如工控機死機了或者控制出錯了。這將給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重后果，因此使用軟件抗干擾措施避免和減輕這些意外事故猶為重要。通常使用的軟件抗干擾技術(shù)有：實時控制軟件運行過程中的自監(jiān)視法、實時控制系統(tǒng)的互監(jiān)視法和重要數(shù)據(jù)備份法。4. 防止干擾和設(shè)備損壞的一般方法4.1 硬件抗干擾技術(shù)是儀表控制系統(tǒng)設(shè)計時首選的抗干擾措施，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。 若硬件措施得當(dāng)，可以將絕大多數(shù)干擾拒之門外，常用的硬件設(shè)計抗干擾措施如下：4.1.1 系統(tǒng)電源系統(tǒng)電源應(yīng)該有冗余，各路配電模件應(yīng)該有獨立的截峰

15、二極管（過壓）、自動斷路器（過流）等保護(hù)。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1，DCS如果單獨接地,接地電阻4，DCS供電要盡量來自負(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控制理想電源。通過以上工作，這方面的風(fēng)險就可以有效避免。4.1.2 電纜敷設(shè)4.1.2.1 電纜分類在DCS工程項

16、目中常見的信號可以作如下分類:類信號:熱阻信號、熱電偶信號、毫伏信號、應(yīng)變信號等低電平信號類信號：05V、15V、420mA、010mA模擬量輸入信號；420mA、010mA模擬量輸出信號，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；24VDC小于50mA的阻性負(fù)載的開關(guān)量輸出信號。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。類信號：110VAC或110VAC開關(guān)量輸出信號，此類型號的饋線可以視作電源線處理布線問題。其中，類信號很容易被干擾，類信號容易被干擾，而類和類信號在開關(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。對于類信

17、號必須采用屏蔽電纜，最好是屏蔽雙絞電纜；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；類信號允許與220V電源線一起走線，也可與 、一起走線，但后者情況類信號必須采用屏蔽電纜，最好為屏蔽雙絞電纜，且與、類信號電纜相距150mm以上。條件允許的情況下，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，且接地狀態(tài)良好。4.1.1.2 正確敷設(shè)電纜的前提是對信號電纜進(jìn)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。4.2.1.3 禁止大功率的開關(guān)量出線信號、

18、電源線、動力線等電纜與直接進(jìn)入DCS系統(tǒng)的、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或類信號其它芯用于傳輸類或類信號。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”。4.1.1.2 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，

19、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m100250500500125V，10A50(mm)1002001200250V，50A1502004501200200-400V，100A2004506001200400-500V，200A30060090012003000-10000V,50A600900120012004.1.1.3 線纜敷設(shè)的防雷要求年平均雷暴日超過40dA的地區(qū)，控制系統(tǒng)線纜的敷設(shè)必須考慮有關(guān)的防雷措施。不能使用非金屬的匯線橋架，采用金屬或金屬網(wǎng)屏蔽的匯線橋架時，應(yīng)保證橋架間有良好的電氣連接，并必須在橋架兩端接地，如果橋架

20、距離較長，應(yīng)每隔30米設(shè)一個接地點，橋架的接地宜采用等電位連接，也允許就近與第有良好接觸的金屬設(shè)施連接。4.1.3 信號隔離對于模擬量輸入輸出（AI/AO）回路，要防止從現(xiàn)場來的強電串入卡件，以及就地設(shè)備與DCS系統(tǒng)不共地可能產(chǎn)生的電勢差。重要回路應(yīng)該采取信號隔離器。對于數(shù)字量輸入輸出（DI/DO）回路，常用的解決方法就是對DI/DO信號采用繼電器隔離。比如對于一個馬達(dá)控制關(guān)反饋輸入回路：現(xiàn)場的常開接點閉合時，繼電器線圈帶電，輸出接點閉合，接點信號引入開關(guān)量采集卡件。這樣，強電就不會串入卡件的信號回路，發(fā)生故障時，也主要檢修隔離的外回路。采用繼電器進(jìn)行信號隔離的缺點是：需要給外回路添加供電回路

21、；采用電磁隔離和光電隔離技術(shù)的開關(guān)量隔離器，可以減少為外回路供電的工作量。4.2 硬件濾波措施是使用較多的一種方法，技術(shù)比較成熟，但同時也增加了設(shè)備，提高了成本，而且電子設(shè)備的增加有可能帶來新的干擾源。由于電磁干擾的復(fù)雜性，要根本消除迎接干擾影響是不可能的，因此在控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和組態(tài)時，還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。軟件抗干擾以其設(shè)計靈活、節(jié)省硬件資源、，可靠性高，功能多樣，使用靈活，具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點，當(dāng)然它需要占一定的運行時間。軟件抗干擾是以犧牲少量的運行速度和程序空間來達(dá)到抗干擾目的的方法，系統(tǒng)可采用指令冗余、設(shè)置軟件陷阱以及數(shù)據(jù)冗余技術(shù)等軟件

22、抗干擾措施。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4.2.1 算術(shù)平均值法 對于一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計算其算術(shù)平均值，以其平均值作為該點采樣結(jié)果。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響。一般35次平均即可。 4.2.2比較取舍法 當(dāng)控制系統(tǒng)測量結(jié)果的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，為了剔除個別錯誤數(shù)據(jù)，可采用比較取舍法，即對每個采樣點連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍，從而剔除偏差數(shù)據(jù)。例如,“采三取二”即對每個采樣點連

23、續(xù)采樣三次，取兩次相同的數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果。 4.2.3 中值法 根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大或偏小的情況，對一個采樣點連續(xù)采集多個信號，并對這些采樣值進(jìn)行比較，取中值作為該點的采樣結(jié)果。 4.2.4 一階遞推數(shù)字濾波法 這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實現(xiàn)用軟件方法代替硬件RC濾波器。一階遞推數(shù)字濾波公式為Yn=QXn+(1-Q)Yn-1式中Q -數(shù)字濾波器時間常數(shù)；Xn第n次采樣時的濾波器輸入；Yn第n次采樣時的濾波器輸出。采用軟件濾波器對消除數(shù)據(jù)采集中的誤差可以獲得滿意的效果。但應(yīng)注意，選取何種方法應(yīng)根據(jù)信號的變化規(guī)律選擇。4.2.5 邏輯錯誤檢測在系統(tǒng)正常運行時，控制器的輸入、輸出信號和內(nèi)部的信號（如輔助繼電器的狀態(tài)）相互之間存在著確定的關(guān)系，如出現(xiàn)