现场典型抗干扰问题的分析与处理

现场典型抗干扰问题的分析与处理
刘勇
（大唐略阳发电有限责任公司，陕西略阳 724300）
摘要：本文根据现场工程实践中遇到的问题对抗干扰问题进行了定性的分析和研究，提出了现场解决与之相关的问题的方案。

This site works according to the problems encountered in practice interference issues on qualitative analysis and research, made the scene to solve the problems associated with the program。

关键词：DCS；干扰；接地。

0、引言
DCS系统、PLC系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。

虽然无论是控制系统硬件厂商还是电建施工人员都从各自的角度出发尽量提高系统的抗干扰能力，但由于DCS系统、PLC系统所处电磁环境的复杂性以及设备硬件本身的抗干扰能力的局限性，实际运行中，控制系统数据采集的稳定性往往受到电磁干扰的挑战。

遇到此类问题，检修人员往往知道问题的症结，但一时找不出合适的解决方案，本文就是根据几个电力生产过程中的现场实例，提出解决此类问题的一般方法。

1、问题引出
大唐略阳发电有限责任公司6号机组DCS系统采用北京和利时公司的MACSV系统，其抗电磁干扰能力指标如下：共模抑制比≥ 90 dB，共模允许电压≥ 250 V，差模允许电压≥ 60 V。

DCS系统接地汇流排单点引入机组电气主接地网，接地电阻小于0.5Ω，系统抗射频干扰试验符合规定。

机组运行后发生过几次典型的电磁干扰引起的异常现象，现就其现象产生的机理、问题的处理方案和引申出的防范措施和大家共同探讨。

1）6A引风机轴承温度跳变处理
大唐略阳发电有限责任公司6号机组6A引风机轴承温度测量为热电阻元件，共9个点，5、6、7、8、9位于同一电缆，其中7、8、9和电机线圈温度在同一模块。

该模块的所有温度信号均不定期的同时跳变，跳变幅度3～6℃，其他信号正常。

图中每一点为三路导线，元件采用三线制接法。

图1
检查就地温度元件阻值稳定、模块及端子板通道正常、电缆屏蔽DCS侧接地
良好、电缆线间绝缘对地绝缘均符合规定，判断问题由电磁干扰引起。

观察参数的
历史曲线，发现7、8点的跳变幅度最大，初步怀疑可能是它们引入的干扰。

遂打
掉7、8点在模块侧的接线，观察该模块其它测点显示正常，将7、8点的元件用其
它元件的导线引入模块，数据显示正常。

随后做试验，在就地元件打掉的情况下只
要7、8点在DCS侧接入，就会对该模块上其他信号造成严重干扰，将7、8点电缆
导线引入其它模块中现象依然。

实际表明SM432模块单通道引入的干扰会影响整个
模块的正常工作，这说明该类模块的通道隔离性能还有待提高。

但还有一个问题：
为什么6A引风机轴承温度电缆中其它导线未对模块引入干扰。

我们试着定性分析
如下：（由于缺少必要的测试仪器我们无法对现象进行定量的分析）
分析前首先介绍一下屏蔽的作用和屏蔽层的材料对屏蔽效果的影响。

屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。

具体地讲，就是用屏蔽体将电子元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们收到外界电磁场的影响。

屏蔽体对来自导线、电缆、元部件以及电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层
上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以利用屏蔽体可以非常有效地减弱电磁干扰。

屏蔽材料选择的原则如下：（1）当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率（高电导率）的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。

（2）当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。

（3）在某些特定场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的评比效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。

经现场检查发现6A引风机轴承温度电缆为普通屏蔽电缆，屏蔽层材料为金属铜，屏蔽层结构为铜带包敷方式。

因此该电缆对频率较高的电磁干扰有较好的屏蔽效果，但对于频率较低的电磁干扰则效果较差。

现场检查发现现场多处由于现场实际条件所限制，动力电缆、信号电缆分层敷设的原则并未完全贯彻，存在动力电缆、信号电缆混放的现象。

由于电力强电线缆多为非屏蔽电缆，其交变电流会在周围会产生交变的磁通，频率较低。

抗低频电磁干扰能力较弱的控制电缆处在低频电磁环境中，如果低频电磁能量达到一定值就会在控制电缆内导体之间产生电动势，造成线路上的干扰。

某一导线上的干扰大小和它与周围介质形成的电路结构参数有关，当该电路的谐振频率和干扰频率接近时就会产生较高的干扰电动势，对有用信号影响较大。

同一电缆内的导线所处的电磁环境一致，但由于其相对位臵的不同造成其电路结构参数的不同，从而使它们的谐振频率有较大差异，最终影响到它们接收到的干扰信号强弱不同。

干扰信号达到一定程度就会使信号失真，再达到一定程度就会造成对模块的其它通道的干扰。

明确了引起本次现象干扰产生的机理，我们就可以采用一定的方法来予以处理。

方案一：找到6A引风机轴承温度电缆遭受电力电缆干扰的部位，人为使两者的距离拉大，减小6A引风机轴承温度电缆周围的低频电磁能量。

方案二：敷设新的6A引风机轴承温度电缆，屏蔽电缆选用具有不同的金属材料组成多层屏蔽体，以增强电缆的抗低频、高频干扰的能力。

方案三：将7、8点的信号线通过电容接地,改变7、8点导线与周围介质形成的电路结构参数。

从而改变其谐振频率。

实施过程中，6A引风机轴承温度电缆被深压在其它大量电缆内，方案一无法实施，
而方案二需要购买新的电缆，一时到不了货，因此考虑选用方案三。

将7、8点的信号线通过100uF电容接地，原理图如下：
C1 C2 C3
图2
该方案的重点是确定接地电容的容量，根据我们的试验，电容容量范围在22uF～220uF效果比较好，既可以消除电磁干扰对测量带来的影响又可以保证量值有较好的动态特性。

但该方案有一定的前提，就是必须保证接地电容的质量品质。

如果电容漏阻较大或则损坏，会对测量引入更大的干扰甚至破坏。

因此必须定期对电容品质进行测试，确认电容的实际参数符合电容的标称参数。

当然如果条件允许我们更推荐方案二。

2）碎煤机状态显示不正常处理
大唐略阳发电有限责任公司6号机组输煤程控PLC系统，6A、6B碎煤机的运行状态、异常报警状态自投运以来都不能正常显示。

碎煤机的各种状态由就地无源干接点提供，通过16芯普通屏蔽电缆送至PLC程控柜，经柜内中间继电器隔离后送干接点信号至PLC 模块。

中间继电器驱动电源为交流220V。

只要就地任一干接点闭合，相应中间继电器励磁，其它的同一电缆的中间继电器都会时断时续的励磁，其线圈两端有高达150V～230V 的交流电压，PLC上碎煤机的状态显示出现非正常变化。

该电缆两端接线如图3所示（只画出三路信号代表）：其中J1、J2、J3为就地无源干接点，K1、K2、K3为交流AC220V中间继电器。

检查电缆的绝缘、屏蔽以及PLC系统的屏蔽均无问题。

考虑到该电缆从始端到终端长达700多米，其分布参数较大，对交流信号的传输肯定会产生影响。

分析认为此状态下干扰产生的原因是同一电缆内的传输导线间的阻抗互相耦合和电磁感应。

只要有就地接点闭合，与之连接的两根导线内就会流过工频电流，由于电缆很长且内部导线走向一致，交变电流产生的交变电磁场对其它导线形成的感应电势以及阻抗互相耦合产生的耦合电势大到已足可以驱动继电器的线圈。

根据分析，有两种方案可供选择：
就地接点侧
PLC柜继电器侧
图3
A、减少干扰源的电磁辐射。

利用高品质的多芯对绞对屏电缆替代原来的普通屏蔽电缆，对绞对屏电缆可以有效的消除电缆线内的相互干扰。

B、改变干扰源的性质，彻底消除干扰源。

更改原来中间继电器的驱动模式。

经过计算和实测，单个回路的导线电阻只有20欧姆，而一般的直流24V的继电器线圈阻值超过16千欧，因此可以用直流24V的继电器更换原来的交流中间继电器，相应的驱动电源改用直流24V。

这样电缆内部导线间就不会存在电磁干扰。

从整体的性价比上和施工的难度上考虑最终选用方案B。

改造原理如图4：
PLC柜继电器侧
图4
按照方案B实施后，碎煤机的状态监视恢复正常，问题解决。

这说明长距离控制系统的控制电源最好采用直流电源。

2、问题的一般解决方案
通过以上异常现象的分析和处理，经过总结分析我们认为现场消除干扰的一般方法为：
首先应该检查电缆的绝缘状况（线间绝缘、线地绝缘）、屏蔽层接地状况，当然前提是检测元件、检测放大回路无异常，确认无问题的情况下应从以下着手：A．确认干扰源或确认干扰性质
根据干扰对现场有用信号影响的特点，分析是否和周围的电磁环境、大型设备的运行状况相关，如不相关则单独测定信号线缆对地、线间交直流电压是否异常，如异常则属于强干扰，一般由动力电缆的强交变磁场造成，如无异常很可能是回路窜入了高次谐波信号，用一般的万用表检测不到。

采用信号线逐路接入的方式可以判明干扰的具体引入点。

B、消除干扰源或减弱干扰强度
如果确认干扰源是某一固定的装臵或线缆，可以通过技术改造减小干扰源的电磁辐射或改变干扰源的性质。

例如对固定干扰源加屏蔽设施，并将屏蔽接地，对于不能避免的动力线引入的电磁干扰，信号电缆采用对绞对屏电缆。

如果干扰源是偶然因素，则可以在控制软件上增加滤波逻辑减少影响。

C、采用信号隔离装臵
干扰的具体引入点如果能确认，对于受干扰面不大的情况下一般采用信号隔离装臵，如果受干扰面较广，在控制系统接地合格的情况下最好从干扰源着手。

D、采用接地电容或滤波电容
对于共模转串模造成的干扰采用线缆通过电容接地会有很好的效果，对于电磁感应造成的串模干扰可以采用信号回路间加滤波电容的方式。

电厂内的电磁干扰源的频率多为工频或其倍频，频率较低，根据试验，电容容量范围在22uF～220uF效果比较好，既可以消除电磁干扰对测量带来的影响又可以保证量值有较好的动态特性。

但该方法有一定的局限性，它一般只能用于直流信号回路。

E、根据现场电磁环境的特殊性和共性，采用具有针对性的屏蔽电缆，以增强电缆的抗低频、高频干扰的能力
3、结束语
现场实际的电磁环境非常复杂，干扰源一般是多种效应的综合，对影响系统运行的主要干扰源很难判断，因此消除干扰源非常困难。

最根本的办法还是提高系统本生的抗干扰能力。

这就要求我们从设备的选型、设备的安装、电缆的选型、电缆的敷设、接地点的选择等等各个环节严格把关。

只有每一各环节都符合相应的规定，才有可能最大限度的提高系统的抗干扰能力。