自动化控制系统抗干扰技术应用

自动化控制系统抗干扰技术应用
摘要：在工业自动化控制现场应用中，为了防止信号干扰，提高系统运行的稳定性和可靠性，文章主要分析了自动化控制系统应对各种干扰源通过两种干扰传播方式，以便在实际应用当中如何抑制干抚信号，并介绍了控制系统常用的干扰抑制措施。

关键词：DCS、PLC、干扰源、屏蔽、接地、PROFIBUS、S7-300、控制系统
在工业控制现场中分布着各种各样的杂散电磁干扰信号，对DCS及PLC系统等弱电检测信号具有很强的干扰作用，甚至使整个系统瘫痪，如何在自动化控制系统中减少干扰信号的干扰，保证系统的稳定可靠运行，这就使得我们必须在应用过程当中正确地处理。

一般地，电磁干扰可在多个方面影响PLC：
• 电磁场对系统有直接影响。

• 由总线信号导致的干扰耦合（PROFIBUS DP 等）
• 通过系统布线产生的干扰耦合。

• 干扰通过电源和/或保护接地来影响系统。

一、两种干扰传播途径
通常产生干扰有三个要素：干扰源、耦合路径、易受干扰的潜在电子器件（DCS及PLC系统各种卡件）。

干扰源可以通过空间的辐射或电磁耦合传递到DCS及PLC系统的CPU和信号采集卡件，也可以通过信号电缆的传输进入控制系统。

1、干扰源通过空间传播
干扰源的电磁能量以场的方式向四周传播, 频率较高时，干扰信号可以通过导线间的分布电容从一个回路传导到另一个回路，这是电容耦合或电场耦合；干扰信号通过导线间的分布电感，从一个回路传到另一个回路为电感性耦合或磁场耦合；电磁场的干扰还可以通过天线发送至电子装置，即干扰的天线效应，由信号源－传输线－负载组成电流环路，就相当于磁场天线。

2、干扰源通过导线传播
信号通过导线传输，实际的传输导线都存在分布电容和电感，尤其在传送频率高的情况下，分布电容和电感参数的影响更不能忽视。

当设备或元件共用电源或地线时，会产生共阻抗耦合；当脉冲信号通过传输线传播，在一定条件下，信号会发生波反射，反射会改变正常信号而产生有危害的冲击电压；干扰源通过磁场耦合在两根导线和设备构成的回路上产生感应电压，会产生差模干扰；干扰源通过电场耦合在一根导线与系统地构成的回路上产生的感应电压，会产生共模电压。

二、抑制干扰措施
要处理以上两种干扰传播途径，在自动控制系统中通常做法有隔离和接地两种做法。

隔离的方式有变压器隔离、光电耦合隔离和继电器隔离，隔离通常是为消除通过导线的传播途径传播的干扰。

接地的方法主要是为解决以上两种传播途径的干扰，这是控制系统的主要的抗干扰的措施。

采用低阻抗接地可以降低因短路或系统故障所致的电击危险，低阻抗连接（大面积，大面积触点）可减轻干扰对系统造成的影响，同时减轻干涉信号的辐射；对电缆和设备进行有效屏蔽也会起到非常重要的作用，如电缆屏蔽接地和系统机柜接地。

虽然接地有逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地之分，而绝大部分系统则指出各种地在机柜内部自己分别接地，然后汇于一点，用较粗的导体（接地铜排）将各个地汇集起来，接到一个公共的接地体上，最后引到工厂大地系统。

三、控制系统常用抗干扰措施
1、供电系统的抗干扰
对正常工作的传感器、DCS及PLC系统和仪器仪表危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰，产生尖峰干扰的用电设备有：电焊机、大功率电机、继电接触器等。

一般我们可采取外加UPS供电和防雷技术便可消除对供电系统的干扰；如果不采用UPS供电技术，采用隔离变压器也是一个消除电网尖峰脉冲干扰的办法。

2、信号传感器的抗干扰
在控制系统中，模拟信号是最易被干扰得信号，在信号的传输当中距离也较远，短的几十米，远的100多米，通常是要选用屏蔽电缆来布线，电线规格为1～2mm2；电缆屏蔽层必须接地，当DCS系统的接地与现场的设备能够等电位时，则可以考虑电缆屏蔽层双端接地，这是较高频率范围内有效抑制干扰的唯一方法。

如果DCS系统的接地与现场的设备不能保持等电位，则电缆屏蔽层只能在DCS系统侧单端接地，切勿双端接地首先信号线与动力线必须分开走线，因为两个接地点之间的电位差可能会导致等电位电流流过在两端连接的屏蔽层，从而
根本不能起到屏蔽接地效果，屏蔽层单端接地仅局限于低频率范围内的干扰抑制。

3、DCS及PLC系统和仪器仪表的抗干扰
DCS及PLC和仪器仪表系统一般由信号地、保护地和屏蔽地组成，施工现场往往不可能有多个接地系统，通常把信号地、保护地和屏蔽地分别通过粗导线（大于2.5平方）汇总后集中接至系统大地，这样就可以消除模拟量信号的共模电压，现场信号采集卡件故障，往往就是共模电压过大而烧毁信号通道，这点尤其值得我们注意。

下图为西门子S7-300PLC系统机柜布置接线图：
4、与电气设备控制有关的抗干扰
在控制系统中，当DCS及PLC系统控制多台变频器时，由于变频器本身会产生很强的干扰信号，因此为了消除变频器对系统的干扰，布线和接地就要采取严密的措施。

1）首先信号线与动力线必须分开走线，尽量避免平行走线，如果要平行布线距离应在30cm以上；信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管或不同的桥架内，且控制线的金属桥架接地。

2）模拟量控制信号线应使用屏蔽双绞线，电线规格为1～2mm2，在系统侧单端接地，如果与现场等电位连接的话，可以双端接地。

3）在不能保证2种接地系统的情况下（大部分情况是如此），变频器应与PLC系统等电位共地连接，电气接地和DCS系统一定要做到等电位，接地电阻尽可能小，达到小于等于1欧姆最佳。

4）如果控制系统要采集电气设备的电流信号，在不增加隔离器的情况下，则电流变送器的输出信号负端必须与控制系统的接地可靠连接。

5、现场总线的抗干扰
由于PROFIBUS现场总线的通信速度与于电缆长度有关，为了保证其传输速度，另外为了使数据不失真，起到抗干扰作用，通常有2种做法：
1）加中继器隔离，可以隔离不同系统的信号，同时避免不同系统因为不在同一等电位接地的情况下相互干扰，而且可以延长通讯距离，从而保证通讯速率。

2）加光电转换器，由于光信号抗干能力很强，而且通过光信号可以延长通讯距离，其距离可以延长到几公里甚至几十公里，非常适合远距离的传输。

PROFIBUS现场总线的屏蔽层接地，所有标识接地符号的点都需要接地，电缆在进入电气柜后应先连接屏蔽汇流排，减少干扰电流流经PLC整体如下图所示：
较远电气柜间的PROFIBUS连接，如远程I/O机柜或远程变频设备，为了避免地环流，应使用等电位导线连接，并将PROFIBUS靠近等电位导线布线，如图所示：
四、小结
总之，为了提高自动化控制系统的抗干扰能力，应该分清控制系统的分布和布置情况以及工业现场工况特点，参考系统设备安装使用说明，严格按照接地规范进行设计，在信号线的选择与敷设、通讯方式和通讯介质等各方面综合考虑，全面考虑屏蔽和接地方方式，还要针对现场出现不同的干扰情况，重点加强系统抗干扰的能力，使系统在现场能安全、稳定、可靠地工作。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。