工業(yè)自動控制系統(tǒng)抗干擾措施及其運(yùn)用淺述

吳雄鋒

(福建海峽科化股份有限公司，福建 三明 366000)

摘要：對工業(yè)自動控制系統(tǒng)的主要干擾源進(jìn)行了簡要分析，并在此基礎(chǔ)上對抗干擾措施在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中的運(yùn)用進(jìn)行論述，以期對提高工業(yè)自動控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性有所幫助。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動控制系統(tǒng)；干擾源；抗干擾

收稿日期:2015-05-05

作者簡介：吳雄鋒(1975—)，男，福建泉州人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。

1工業(yè)自動控制系統(tǒng)的主要干擾源分析

現(xiàn)階段，工業(yè)自動控制系統(tǒng)(以下簡稱工控系統(tǒng))在諸多領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，雖然其本身的可靠性較高，但在實際運(yùn)行中也常常會受到一些干擾，從而影響了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。大體上可將工控系統(tǒng)的干擾源歸納為以下幾個方面：(1) 輻射干擾。這是一種較為常見的干擾源，其主要是由輻射電磁場產(chǎn)生的，此類干擾源產(chǎn)生的原因有以下幾個方面：電力網(wǎng)及電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、無線電廣播、高頻感應(yīng)等等。若是工控系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的周圍存在輻射電磁場的話，則會對系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成一定程度的影響。(2) 元件及電路干擾。此類干擾一般源自于工控系統(tǒng)內(nèi)部，具體是由系統(tǒng)內(nèi)元器件與電路之間的電磁輻射引起的。例如，系統(tǒng)中邏輯電路間的相互輻射及其對模擬電路的影響，另外系統(tǒng)中主要元器件不匹配也會產(chǎn)生相互干擾。(3) 電源干擾。通常情況下，大部分系統(tǒng)都是由電網(wǎng)進(jìn)行供電的，當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)部出現(xiàn)各種變化時，如開關(guān)浪涌、設(shè)備啟停、交直流引起的諧波/暫態(tài)沖擊等，都可能導(dǎo)致電壓畸變，由此便會對工控系統(tǒng)造成一定的干擾，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。(4) 信號干擾。在系統(tǒng)中，信號線主要起控制和傳輸檢測信號的作用，相關(guān)研究結(jié)果表明，檢測信號的傳輸質(zhì)量優(yōu)劣對工控系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性具有直接影響。若是信號在傳輸中受到外界干擾，則會使信號的準(zhǔn)確性降低，從而導(dǎo)致信號傳輸異常，嚴(yán)重時可能會使元器件受損。若系統(tǒng)的信號隔離性能較差，來自于外部的干擾信號還能引起不同信號間的相互干擾，進(jìn)而引起總線回流，由此容易使邏輯數(shù)據(jù)的誤差增大，甚至死機(jī)。(5) 接地線干擾。工控系統(tǒng)的地線主要包括交流地線、屏蔽地線、保護(hù)地線等。在這些地線上存在著各種信號的電流，同時，地線阻抗耦合還會產(chǎn)生出共模電壓，由此會對輸入信號線形成共模干擾。如果地線處理混亂，且電位分布不均衡，則會對邏輯和模擬電路的正常運(yùn)行造成影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行。

2抗干擾措施在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

目前，工控系統(tǒng)的干擾問題已成為影響系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的主要問題之一，在這一背景下，業(yè)內(nèi)的專家學(xué)者加大了對工控系統(tǒng)抗干擾措施的研究力度，也取得了一定的成果。下面對較為常用的抗干擾措施在工控系統(tǒng)中的運(yùn)用進(jìn)行分析。

2.1信號隔離器

在工控系統(tǒng)中，模擬量輸出信號通道的干擾主要源自于電動執(zhí)行器、變頻器等設(shè)備，這些干擾的存在會導(dǎo)致采集的工藝參數(shù)不準(zhǔn)確，嚴(yán)重時有可能使控制器板卡受損。此類干擾的抑制和消除方法有很多種，其中最為簡便且有效的一種是在信號回路中使用輸出型信號隔離器。信號隔離器在回路中的接入方法如圖1所示。

圖1　信號隔離器接入方法示意圖

在此需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，在輸出回路當(dāng)中，必須采用輸出型的信號隔離器，否則可能會產(chǎn)生二次干擾。

2.2優(yōu)選供電電源

在工控系統(tǒng)中，電源具有非常重要的作用，為了避免供電電源對系統(tǒng)的干擾，可采用隔離性較好的電源，如UPS電源，這種電源的可靠性和安全性較高，并且具有較強(qiáng)的干擾隔離性能，可以進(jìn)一步增強(qiáng)電源的干擾抑制能力。采用此類電源時，可對工控系統(tǒng)電源與動力設(shè)備分別進(jìn)行配線，隔離變壓器一次側(cè)的電源應(yīng)當(dāng)接AC380 V，這樣能夠有效防止地電流的干擾。

2.3接地抗干擾

大量實踐表明，良好的接地能夠有效抑制共模干擾，并將干擾電流全部泄放到大地當(dāng)中，這是目前工控系統(tǒng)抗電磁干擾最為常用的措施之一。為此，在系統(tǒng)接地設(shè)計中，應(yīng)注意如下問題：(1) 應(yīng)當(dāng)采用單點(diǎn)接地。接地方式主要與頻率有關(guān)，若是頻率低于1 MHz，則應(yīng)采用單點(diǎn)接地，如果頻率高于1 MHz，則可采用多點(diǎn)接地。工控系統(tǒng)由于受到信號電纜分布電容及輸入裝置濾波等影響，裝置間的信號交換頻率一般都在1 MHz以下，鑒于此，為確保接地的有效性，應(yīng)當(dāng)采用單點(diǎn)接地的方式。當(dāng)集中布置時，則可采用并聯(lián)一點(diǎn)的接地方式，將各裝置的接地點(diǎn)以單獨(dú)接地線引至接地極上，如果裝置之間的距離較遠(yuǎn)，則可用一根截面加大的銅母線將裝置中心接地點(diǎn)連接到一起，然后再將母線與接地極進(jìn)行可靠連接。(2) 接地線應(yīng)當(dāng)采用銅導(dǎo)線，并確保截面在2 mm2以上；接地母線則應(yīng)當(dāng)選用截面超過60 mm2的銅排；接地末端的接地電阻值不得超過2 Ω；系統(tǒng)的接地點(diǎn)與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)之間的距離必須在10 m以上；屏蔽地線與保護(hù)地線應(yīng)當(dāng)獨(dú)立接至接地銅排上。

2.4輻射干擾的抑制措施

屏蔽保護(hù)是抑制磁場和電場輻射干擾的有效措施。在工控系統(tǒng)中可采取以下屏蔽保護(hù)措施：對變壓器、電感等元器件進(jìn)行屏蔽，減少元器件對周圍電路帶來的電磁干擾；采用屏蔽線對傳輸線進(jìn)行屏蔽，減少傳輸線對外部造成的干擾；對系統(tǒng)部件進(jìn)行屏蔽保護(hù)，減少部件帶來的電磁場干擾；采用高導(dǎo)磁材料對低頻電磁波進(jìn)行屏蔽，如利用磁鋼制作屏蔽件等；采用高導(dǎo)電率材料對高頻電磁波進(jìn)行屏蔽，如利用鋁、銅等材料制作屏蔽件，能夠有效抑制電磁干擾。除此之外，合理選擇元器件和設(shè)計元器件布局也能起到抗干擾的作用，有利于提高工控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

2.5采用軟件抗干擾

由于工控系統(tǒng)干擾源具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，雖然通過硬件方面的抗干擾措施能夠?qū)Ω蓴_進(jìn)行有效抑制和減弱，但想要徹底消除干擾卻比較困難。為此，在工控系統(tǒng)的軟件設(shè)計與工程組態(tài)上，應(yīng)當(dāng)采取一些軟件抗干擾措施，如數(shù)字濾波、延時消抖等，借此來提升系統(tǒng)自身的抗干擾能力。具體如：(1) 在工控系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步提升輸入信號的信噪比，可通過軟件濾波的方法增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性。連續(xù)進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，間隔時間可按照A/D轉(zhuǎn)換時間及信號的頻率確定。采集回來的數(shù)據(jù)，可根據(jù)先后順序存放至不同的數(shù)據(jù)存儲器當(dāng)中，經(jīng)過比較之后，取平均值作為輸入值。目前，較為常用的軟件濾波方法有程序判斷法、中間值濾波法、防脈沖干擾濾波法、算術(shù)平均值等。(2) 工控系統(tǒng)經(jīng)常會在振動較強(qiáng)的環(huán)境中運(yùn)行，此時行程開關(guān)或按鈕會由于抖動而誤發(fā)信號，通常情況下，抖動出現(xiàn)的時間都相對較短，針對這一特點(diǎn)，可借助系統(tǒng)內(nèi)的定時器經(jīng)過延時，獲得消除抖動后的可靠信號，以此來達(dá)到抗干擾的目的。(3) 利用“看門狗”對工控系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，或是采用軟件容錯編程等方法也能增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

3結(jié)語

綜上所述，在工業(yè)領(lǐng)域中，自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，系統(tǒng)本身的運(yùn)行是否穩(wěn)定直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。一旦自動控制系統(tǒng)受到干擾，勢必會對系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響，這樣會間接影響生產(chǎn)，不但會帶來經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時還可能引起安全事故。為此，必須采取有效的抗干擾措施消除各種干擾源對自動控制系統(tǒng)運(yùn)行的影響，以此來確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。在未來一段時期，應(yīng)當(dāng)加大對抗干擾技術(shù)的研究力度，除對現(xiàn)有的技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)之外，還應(yīng)研發(fā)一些新的技術(shù)措施，為工業(yè)自動控制系統(tǒng)的抗干擾提供強(qiáng)有力的保障。

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