發布日期：2022-04-18 點擊率：107
引言： 工業控制系統中的干擾是一個十分復雜的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制抗干擾，對有些干擾情況還需做具體分析，采取對癥下藥的方法，才能夠使DCS控制系統正常工作。 儀表及控制系統的可靠性設計是一項系統工程，它直接影響到工業生產裝置是否安全、長周期穩定運行，而系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。隨著DCS、現場總線技術的應用，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，受到噪聲干擾的風險也隨之增大。其次，它們大多處在強電電路和強電設備所形成的電磁環境中，同時也受到來自自空間的輻射、系統外引線干擾等問題。因此，除有用信號外，必然會有一些與被測信號無關的電流或電壓存在，這種無關的電流或電壓通稱為“干擾”（噪聲）。在測量過程中，這些干擾若不能很好地處理，那它將歪曲測量結果，嚴重時可能使儀表或控制站不能正常工作。大量實踐說明，抗干擾性能是現代化工業所面臨的重要問題，尤其是在DCS、現場總線技術的廣泛應用，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，要提高控制系統可靠性，一方面要求生產廠家提高設備的抗干擾能力；另一方面，要求工程設計、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，有效地增強系統的抗干擾性能。 1、干擾源及干擾一般分類 影響DCS系統的干擾源與一般影響工業控制設備的干擾源一樣，大都產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生的原因、干擾模式和干擾的波形性質的不同劃分。其中：按干擾產生的原因不同，分為放電干擾、浪涌干擾、高頻振蕩干擾等；按噪聲的波形、性質不同，分為持續干擾、偶發干擾等；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，主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態（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130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓，（這就是一些系統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及由不平衡電路轉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。 2 儀控系統的信號干擾因素 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備產生的磁場，高壓電氣設備產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中。通常來說干擾儀表測控系統的干擾源主要有電力網絡和電氣設備的暫態過程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統電源線、信號引線、接地等引起的系統外引線干擾。這些干擾總體上分為兩大類：外部干擾和內部干擾，詳細分析無外乎由于輻射、溫度、濕度、振動、傳輸、感應、電源、接地幾個方面。下面對常見的幾種干擾機制進行分析: （1）傳導干擾 1）當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） 在一些現場儀表中，采用220V電源供電，有時設備燒壞，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備損壞。 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，則兩點的接地系統可能出現電位差異△E，可能會在信號電纜上產生一個很大的環流，疊加在信號電流上，造成模擬量信號波動，嚴重時可能引起卡件故障。 4） 在運行過程中，卡件發出的采集信號長時間接地，形成的接地電流超過允許值，導致通道損壞。 以上這幾種傳導干擾中，由于現代儀控系統自身的設備狀態都有保障，因此，由于絕緣材料老化或設備燒壞等原因引起的干擾較少出現，而由于接地引起的干擾較為常見，也比較難以捉摸，應該給予足夠的重視。 （2）電容電感耦合干擾 工業控制系統有幾十乃至幾百個輸入輸出通道分布在其中，導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，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生交變的磁通，而這些交變磁通會在并行的導體之間產生電動勢，這也會造成線路上的干擾。 （3）計算機供電線路上引入的干擾 在大型電氣設備啟動和開關裝置動作頻繁的地方，電動機的啟動、開關的閉合產生的火花會在其周圍產生很大的交變磁場．這些交變磁場既可以通過在信號電纜上耦合產生干擾，也可能通過在電源電纜上耦合產生高頻干擾，這些干擾如果超過容許范圍，同樣會影響系統的工作。 （4）其它因素 雷擊可能在系統周圍產生很大的電磁干擾，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設備的殺手。 從以上所述，我們可以總結出各種干擾源（噪聲源）對測量裝置及檢測系統產生干擾電流（電壓），需同時具備三個要素：⑴干擾源；⑵傳播途徑；⑶接收器。 3 通用的抗干擾技術 已知裝置控制系統需要“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針對三項因素采取措施，即：⑴消除或抑制噪聲源；⑵阻截干擾傳遞途徑；⑶增強儀表電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、濾波技術實施完成。在軟件方面，像數字濾波、數字處理等更多的抑制干擾的措施和方法得以應用，儀表測控系統安全水平大大提高。 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，即保證導線之間不會產生漏電流，所以要求導線絕緣材料的耐壓等級、絕緣電阻必須符合規定；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，效果很好，除了電氣屏蔽，還有強交變磁場的干擾，因此還應考慮磁屏蔽，即用導磁性能好的導體進行屏蔽。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。主要的理論依據是：屏蔽層也是一個導線，當其長度與電纜芯傳送信號的四分之一波長接近時，屏蔽層相當于一根天線。在DCS系統中，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性接地和功能性接地。 3.2.1保護性接地 放電擊接地：為了防止電氣設備絕緣損壞或產生漏電時，使平時不帶電的外露導電部分帶電而導致電擊而將設備外露導電部分接地，稱為放電擊接地。這種接地，也是通常的狹義的“保護接地”，它又分為保護導體接地（PE，也稱為保護接地），和保護中性導體接地（PEN，也稱為保護接零）兩種。 3.2.2防雷接地：：將雷電導入大地，防止雷電流、雷磁場使設備受到損害。 3.2.3防靜電接地：將靜電導入大地，防止雷電流、雷磁場使設備受到損害。 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以星型方式聯結到一點，該點一般也是與機柜絕緣的匯流條。通常，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：保證系統向防爆區傳送的能量在規定范圍以內，將安全柵等設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控制機系統穩定運行、消除干擾的重要措施。如果應用得法，可以明顯提高系統的抗干擾能力 3.4雙絞：雙絞線代替兩根平行導線是抑制磁場干擾的有效方法。在雙絞線每個絞扭環中會通過交變的磁通，這這些變化的磁通會在周圍的導體中產生電動勢，他有點刺痛感應定律決定，而相鄰絞扭環中在同一導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。在單位長度內的交數越多，抑制干擾的能力越強。 3.4軟件抗干擾技術：工業現場的復雜環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。這將給生產帶來嚴重后果，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有：實時控制軟件運行過程中的自監視法、實時控制系統的互監視法和重要數據備份法。 4 防止干擾和設備損壞的一般方法 硬件抗干擾技術是系統設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，可以將絕大多數干擾拒之門外，常用的硬件設計抗干擾措施如下 4.1系統電源 系統電源應該有冗余，各路配電模件應該有獨立的截峰二極管（過壓）、自動斷路器（過流）等保護。DCS系統接地點和動力強電系統接地如果共地，接地電阻必須≤1Ω，DCS如果單獨接地,接地電阻≤4Ω，DCS供電要盡量來自負荷變化小的電網上。要嚴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是否正常、供電電壓是否在規定范圍內、系統接地是否可靠、良好、線路絕緣是否合格，停、送電按要求程序執行.此外，位保證電網饋點不中斷，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，這方面的風險就可以有效避免。 4.2電纜敷設 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:熱阻信號、熱電偶信號、毫伏信號、應變信號等低電平信號 Ⅱ類信號：0～5V、1～5V、4～20mA、0～10mA模擬量輸入信號；4～20mA、0～10mA模擬量輸出信號，電平型開關量輸入信號；觸點型開關量輸入信號；脈沖量輸入信號；24VDC小于50mA的阻性負載的開關量輸出信號。 Ⅲ類信號：20V～48VDC感性負載或者電流大于50mA的阻性負載的開關量輸出信號。 Ⅳ類信號：110VAC或110VAC開關量輸出信號，此類型號的饋線可以視作電源線處理布線問題。 其中，Ⅰ類信號很容易被干擾，Ⅱ類信號容易被干擾，而Ⅲ類和Ⅳ類信號在開關動作瞬間會成為強烈的干擾源，通過空間環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；Ⅱ類信號盡可能采用屏蔽電纜，其中用于控制聯鎖的模入模出信號、開入信號，必須采用屏蔽電纜，最好是屏蔽雙絞電纜；Ⅲ類信號允許與220V電源線一起走線，也可與 Ⅰ、Ⅱ一起走線，但后者情況Ⅲ類信號必須采用屏蔽電纜，最好為屏蔽雙絞電纜，且與Ⅰ、Ⅱ類信號電纜相距150mm以上。條件允許的情況下，Ⅰ～Ⅳ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，且接地狀態良好。（1）使所有的信號線很好地絕緣，使其不可能漏電，這樣， 防止由于接觸引入的干擾； 4.2.2正確敷設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（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。 4.2.3 禁止大功率的開關量出線信號、電源線、動力線等電纜與直接進入DCS系統的Ⅰ、Ⅱ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Ⅱ類信號其它芯用于傳輸Ⅲ類或Ⅳ類信號。嚴禁同一信號的幾芯線分布在不同的幾條電纜中。當動力線和信號線平行敷設時，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線管內。在采用金屬匯線槽敷設時，不同輻值導線、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生傳導干擾的場合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地環路”。 4.2.4儀表信號電纜與電力電纜交叉敷設時，宜成直角，與電力電纜平行敷設時，兩者之間的最小距離應符合下表的規定： 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的長度m ＞100 ＞250 ＞500 ＜500 125V，10A 50(mm) 100 200 1200 250V，50A 150 200 450 1200 200-400V，100A 200 450 600 1200 400-500V，200A 300 600 900 1200 3000-10000V,50A 600 900 1200 1200 4.3線纜敷設的防雷要求 年平均雷暴日超過40d／A的地區，控制系統線纜的敷設必須考慮有關的防雷措施。 4.3.1 不能使用非金屬的匯線橋架，采用金屬或金屬網屏蔽的匯線橋架時，應保證橋架間有良好的電氣連接，并必須在橋架兩端接地，如果橋架距離較長，應每隔30米設一個接地點，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施連接。 4.4信號隔離 對于模擬量輸入輸出（AI/AO）回路，要防止從現場來的強電串入卡件，以及就地設備與DCS系統不共地可能產生的電勢差。重要回路應該采取信號隔離器。對于數字量輸入輸出（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。比如對于一個馬達控制關反饋輸入回路：現場的常開接點閉合時，繼電器線圈帶電，輸出接點閉合，接點信號引入開關量采集卡件。這樣，強電就不會串入卡件的信號回路，發生故障時，也主要檢修隔離的外回路。采用繼電器進行信號隔離的缺點是：需要給外回路添加供電回路；采用電磁隔離和光電隔離技術的開關量隔離器，可以減少為外回路供電的工作量。。 4.5軟件抗干擾 硬件濾波措施是使用較多的一種方法，技術比較成熟，但同時也增加了設備，提高了成本，而且電子設備的增加有可能帶來新的干擾源。由于電磁干擾的復雜性，要根本消除迎接干擾影響是不可能的，因此在控制系統的軟件設計和組態時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統的可靠性。軟件抗干擾以其設計靈活、節省硬件資源、，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點，當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到抗干擾目的的方法，系統可采用指令冗余、設置軟件陷阱以及數據冗余技術等軟件抗干擾措施。常用的一些措施：數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，并采用動態零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術，設計相應的軟件標志位；采用間接跳轉，設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性 4.5.1算術平均值法 對于一點數據連續采樣多次，計算其算術平均值，以其平均值作為該點采樣結果。這種方法可以減少系統的隨機干擾對采集結果的影響。一般3～5次平均即可。 4.5.2比較取舍法 當控制系統測量結果的個別數據存在偏差時，為了剔除個別錯誤數據，可采用比較取舍法，即對每個采樣點連續采樣幾次，根據所采數據的變化規律，確定取舍，從而剔除偏差數據。例如,“采三取二”即對每個采樣點連續采樣三次，取兩次相同的數據為采樣結果。 4.5.3中值法 根據干擾造成采樣數據偏大或偏小的情況，對一個采樣點連續采集多個信號，并對這些采樣值進行比較，取中值作為該點的采樣結果。 4.5.4一階遞推數字濾波法 這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實現用軟件方法代替硬件RC濾波器。一階遞推數字濾波公式為Yn=QXn+(1-Q)Yn-1式中Q -數字濾波器時間常數；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據采集中的誤差可以獲得滿意的效果。但應注意，選取何種方法應根據信號的變化規律選擇。 4.5.5邏輯錯誤檢測 在系統正常運行時，控制器的輸入、輸出信號和內部的信號（如輔助繼電器的狀態）相互之間存在著確定的關系，如出現異常的邏輯信號，則說明出現了故障。因此，可以編制一些常見故障的異常邏輯關系，一旦異常邏輯關系為 ON狀態，就應該按故障處理。例如我廠三胺裝置的壓縮機系統潤滑油控制油壓力開關有兩個限位開關動作，這兩個信號不會同時為ON狀態，若它們同時為ON，說明至少有一個限位開關被卡死，應停機進行處理。在梯形圖中，用這兩個限位開關對應的輸入繼電器的常開觸點串聯，來驅動一個表示限位開關故障的輔助繼電器 4.5.6延時確認 對于開關量輸入，可采用軟件延時20ms，對同一信號作兩次或兩次以上讀入，結果一致才確認輸入有效。 4.5.7封鎖干擾 某些干擾是可以預知的，如控制器的輸出命令使執行機構（如大功率電動機）動作，常常會伴隨產生火花。電弧等干擾信號，它們產生地干擾信號可能使DCS接收錯誤的信息。在容易產生這些干擾的時間內，可用軟件封鎖可編程序控制器的某些輸入信號，在干擾易發期過去后，再取消封鎖。 5 其它 在正常維護和檢修過程中應嚴格遵守自動化儀表的檢維修規定，遵照相關的操作規程、規范進行作業，養成良好的作業習慣，以避免人為造成不良后果。 5.1進入系統機規室，應穿防靜電工作服，觸摸卡件、模塊時，必須帶靜電釋放腕套，從機架上拆下的卡件要放在接地良好的防靜電氈上，不要隨意擺弄。 5.2檢修中，拆下來的無論電源線或是儀表信號線應做好絕緣及標識。 5.3 在機柜室內嚴禁使用手機、對講機等對控制系統有干擾的電子設備。 5.4 保證控制室的清潔衛生，若外圍環境較惡劣（如粉塵等），可考慮向控制室內通潔凈、干燥的儀表風，以保證控制室內微正壓。 案例 某30萬噸復合肥裝置，在試車過程中發現，202斗提機高料位開關經常誤動作，造成系統聯鎖保護停車，經現場檢查發現當斗提機正常運行時料斗上的物料由于過多不時落下，碰到高料位開關，促成有高料位的假象，導致系統聯鎖保護。針對這一現象，技術人員在DCS聯鎖組態中，給此料位開關增加了4s的延時輸出，因此當散落物料偶然碰到高料位開關時，高料位的信號到DCS不會立即參與聯鎖，而是保持4s，若延時過去后任然報警則立即參與聯鎖停車。這一措施起到了顯著的效果，減少了“假信號”對系統的影響，保證了裝置的穩定運行。 結束語 工業控制系統中的干擾是一個十分復雜的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制抗干擾，對有些干擾情況還需做具體分析，采取對癥下藥的方法，才能夠使DCS控制系統正常工作。</font
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