電子論文-DCS系統(tǒng)干擾的分析與對(duì)策

1、0 引 言11干擾源及干擾一般分類12 DCS系統(tǒng)電磁干擾的主要來源22.1 電磁場(chǎng)對(duì)DCS設(shè)備輻射干擾22.2 來自DCS系統(tǒng)外引線的干擾32.3 來自DCS系統(tǒng)內(nèi)部的干擾43 DCS系統(tǒng)主要抗干擾措施43.1 DCS系統(tǒng)設(shè)備選型43.2采用綜合抗干擾設(shè)計(jì)44 結(jié)束語5DCS系統(tǒng)干擾的分析與對(duì)策鄭安明（浙江火電建設(shè)公司，杭州 310016）摘要：分析了DCS系統(tǒng)干擾的產(chǎn)生及影響，并提出了相應(yīng)的抗干擾措施。關(guān)鍵詞：DCS系統(tǒng)；干擾；共模干擾；差模干擾；DCS抗干擾0 引 言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，DCS系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。DCS（Distributed Control System

2、）系統(tǒng)，即分散型控制系統(tǒng)，它是工業(yè)控制的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，它的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而DCS系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。自動(dòng)化系統(tǒng)中所使用的各種類型DCS，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和各電機(jī)設(shè)備上，它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。如何提高DCS系統(tǒng)的抗干擾能力、提高系統(tǒng)的可靠性，從而促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，已越來越受到人們的重視。1干擾源及干擾一般分類 干擾又叫噪聲，是竄入或疊加在系統(tǒng)電源、信號(hào)線上的與信號(hào)無關(guān)的電信號(hào)。干擾會(huì)造成測(cè)量的誤差、嚴(yán)重的干擾（如雷擊）可能會(huì)造成設(shè)備損壞。干擾源大都產(chǎn)生在電流或電

3、壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動(dòng)的部位就是噪聲源，即干擾源。干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲的波形性質(zhì)、噪聲的特性和噪聲干擾模式的不同進(jìn)行劃分。按噪聲產(chǎn)生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形性質(zhì)不同，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按噪聲的特性不同，可分為靜電噪聲、電磁噪聲等；按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。其中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(hào)對(duì)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(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成如圖1所示。圖1 純共模信號(hào)及波形圖 圖1中Vc為共模干擾電壓，由于信號(hào)線對(duì)地存在寄生電容C

4、p，使信號(hào)線分別對(duì)地產(chǎn)生了干擾信號(hào)V1、V2。純共模信號(hào)時(shí)：V1V2Vc、V30，即大小相等，相位差為00，沒有干擾電流流經(jīng)負(fù)荷。共模電壓有時(shí)較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電時(shí)，變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)、及共模干擾由不平衡電路轉(zhuǎn)換形成的干擾電壓如圖2所示。圖2 純差模信號(hào)及波形圖圖2中Vd為差模干擾電壓，干擾信號(hào)直接作用于信號(hào)間的兩極，使信號(hào)線對(duì)地分別產(chǎn)生了干擾信號(hào)V1、V2。純差模信號(hào)時(shí)：V1V2、VdV1-V2，即大小相等，相位差為1800，干擾電流Io全部流經(jīng)負(fù)荷。這種干擾直接

5、疊加（串聯(lián)）在信號(hào)上，所以又稱串模干擾，它直接影響測(cè)量與控制的精度，甚至造成電子元器件的過壓、過載等損壞。2 DCS系統(tǒng)電磁干擾的主要來源2.1 電磁場(chǎng)對(duì)DCS設(shè)備輻射干擾 空間的輻射電磁場(chǎng)（EMI）主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。若DCS裝置布置于所射頻場(chǎng)內(nèi)，就回收到輻射干擾，這種干擾主要以共模干擾為主，影響的路徑主要有兩條：一是直接對(duì)DCS內(nèi)部輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對(duì)DCS通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置的位置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽對(duì)絞電纜、改

6、變布置使DCS裝置盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域、DCS局部屏蔽及高壓泄放元件等措施進(jìn)行保護(hù)。2.2 來自DCS系統(tǒng)外引線的干擾因?yàn)楸豢噩F(xiàn)場(chǎng)往往有很多信號(hào)同時(shí)接入計(jì)算機(jī)，這些信號(hào)線之間由于分布電容的存在，而將干擾加到別的信號(hào)線上；同時(shí)，在電源線、交變信號(hào)線的周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁通，而這些交變磁通會(huì)在并行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生干擾；另外，由于信號(hào)的接地點(diǎn)電位不平衡而引起的地環(huán)路電流等。這些差模干擾和共模干擾都可以通過DCS系統(tǒng)的電源、信號(hào)線和地線引入，通常又稱為傳導(dǎo)干擾，傳導(dǎo)干擾在我國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較嚴(yán)重，圖3為傳導(dǎo)干擾對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響示意圖。圖3 傳導(dǎo)干擾對(duì)測(cè)量信號(hào)影響（1）來自電源的干擾 實(shí)踐證明，因電源引入

7、的干擾造成DCS控制系統(tǒng)故障的情況很多。當(dāng)DCS系統(tǒng)的正常電源由電網(wǎng)供電時(shí)，由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，入開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。當(dāng)DCS電源采用隔離電源時(shí)，由于制造工藝等因素其隔離性并不理想。實(shí)際上由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對(duì)隔離是不可能的。（2）來自信號(hào)線引入的干擾 與DCS控制系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被

8、忽視；二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾，這是很嚴(yán)重的。這些差模（串模）信號(hào)的引入，將引起I/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)和死機(jī)。DCS控制系統(tǒng)因信號(hào)線引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)量相當(dāng)嚴(yán)重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。（3）來自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾 接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯(cuò)誤的接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使DCS系統(tǒng)將無法正常工作。DCS系統(tǒng)接地是

9、一個(gè)復(fù)雜的問題，這不僅由于信號(hào)類型多數(shù)量大，還由于各廠家對(duì)接地的劃分、要求不一，造成接地概念的混淆。DCS的接地總的可分為保護(hù)接地和工作接地，保護(hù)接地用于對(duì)工作人員的人身安全保護(hù)，工作接地是為了使DCS系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測(cè)量和控制精度而設(shè)的接地。工作接地一般可分為機(jī)器邏輯地（PG）、信號(hào)回路地（SG）、屏蔽地（AG），在石化和其它防爆系統(tǒng)中還有本安地（IG）。機(jī)器邏輯地，也叫主機(jī)電源地，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地，也是+5V等電源的輸出地；信號(hào)回路地，如各變送器的負(fù)端接地，開關(guān)量信號(hào)的負(fù)端接地等；屏蔽接地，即模擬信號(hào)的屏蔽層接地；本安地，是本安儀表或安全柵的接地，這

10、種接地除了抑制干擾外，還有使儀表和系統(tǒng)具有本質(zhì)安全性質(zhì)的措施之一；以上所有的工作地都要求一點(diǎn)接地。接地系統(tǒng)混亂對(duì)DCS系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。 例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽層兩端都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí)，地線電流將更大。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在交變磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)有會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號(hào)回路。若信號(hào)地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響DCS內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。D

11、CS工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響DCS的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī)。模擬地（屏蔽地）電位的分布將導(dǎo)致測(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作。2.3 來自DCS系統(tǒng)內(nèi)部的干擾 主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于DCS制造廠對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的內(nèi)容，作為應(yīng)用部門主要選擇具有較多應(yīng)用實(shí)績(jī)或經(jīng)過考驗(yàn)的DCS系統(tǒng)。3 DCS系統(tǒng)主要抗干擾措施 DCS系統(tǒng)的抗干擾措施主要包括：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置

12、和系統(tǒng)的抗干擾能力，這三點(diǎn)也是抑制電磁干擾的基本原則。3.1 DCS系統(tǒng)設(shè)備選型 要提高系統(tǒng)的整體抗干擾性，首先要選擇有較強(qiáng)抗干擾能力的系統(tǒng)設(shè)備，包括電磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的DCS系統(tǒng)；其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo)，如共模抑制比、差模抑制比，耐壓能力、允許在多大電場(chǎng)強(qiáng)度和多高頻率的磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中工作；另外是考查其在類似工作中的應(yīng)用實(shí)績(jī)。在選擇國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品要注意：我國(guó)是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。由于我國(guó)電網(wǎng)內(nèi)阻大，零點(diǎn)電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上，對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能

13、要求更高，在國(guó)外能正常工作的DCS產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)工業(yè)就不一定能可靠運(yùn)行，這就要在采用國(guó)外產(chǎn)品時(shí)，按我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13926）合理選擇。3.2采用綜合抗干擾設(shè)計(jì) 主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種抑制干擾措施，包括：對(duì)DCS系統(tǒng)及外引線進(jìn)行屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對(duì)外引線進(jìn)行隔離、濾波，特別是遠(yuǎn)離動(dòng)力電纜、分層布置，以防通過外引線引入傳導(dǎo)電磁干擾；正確設(shè)計(jì)接地點(diǎn)和接地裝置，完善接地系統(tǒng)；另外還必須利用軟件手段，進(jìn)一步提高DCS設(shè)備的安全可靠性。具體的措施：（1）采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾 在DCS控制系統(tǒng)中，電源占極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入DCS控制系統(tǒng)，主要通過DCS系統(tǒng)的供電電源、變

14、送器供電電源和與DCS系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源耦合進(jìn)入的?，F(xiàn)在DCS系統(tǒng)的供電電源，一般都采用安全可靠、具有較強(qiáng)隔離性的UPS電源（在線式不間斷供電電源）。而對(duì)于變送器、及其它與DCS系統(tǒng)直接連接的儀表的供電電源，并沒受到足夠的重視，雖然采取了一定的隔離措施，但普遍還不夠，主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大，抑制干擾能力差，經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以，對(duì)于變送器和共用信號(hào)儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù)）的配電器，以減少對(duì)DCS系統(tǒng)的干擾。（2）選用合適的電纜敷設(shè) 為抑制DCS系統(tǒng)外引線引入的傳導(dǎo)電磁干擾，不同類型的信號(hào)應(yīng)采用合適的電纜敷

15、設(shè)（見表1）。所有模擬信號(hào)的傳輸應(yīng)至少兩根導(dǎo)線以上，不允許幾個(gè)信號(hào)共用一根公共零線。信號(hào)電纜應(yīng)盡量避開大型變頻裝置、電氣開關(guān)室等強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域敷設(shè)；必要時(shí)在強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域附近敷設(shè)的信號(hào)電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)，且鋼管應(yīng)可靠接地。為了減少動(dòng)力電纜對(duì)周圍的設(shè)備、電纜的輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜，應(yīng)采用了屏蔽電力電纜。嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào)；嚴(yán)禁信號(hào)線與動(dòng)力電纜混合并行敷設(shè)。（3）正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng) 接地的目的通常有兩個(gè)，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是DCS控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對(duì)D

16、CS控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號(hào)交換頻率一般都低于1MHz，所以DCS控制系統(tǒng)接地線采用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。集中布置的DCS系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式：從各柜體不同的中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線引向系統(tǒng)接地匯集板，再由接地匯集板引向接地極。如果裝置間距較大應(yīng)采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式：相鄰間柜體的不同中心接地點(diǎn)各自串聯(lián)在一起后，由一點(diǎn)引接地線至系統(tǒng)接地匯集板，再由接地匯集板引向接地極。不管采用何種聯(lián)結(jié)方式的接地，都應(yīng)保證系統(tǒng)的一點(diǎn)接地。 DCS系統(tǒng)的接地匯集板宜采用600mm×200mm×2

17、0mm銅板制作，匯集板與地網(wǎng)接地極之間的連接電線截面宜大于或等于50mm2，系統(tǒng)內(nèi)不同性質(zhì)的中心接地點(diǎn)至地線匯集板的連接線截面宜等于大于25mm2，機(jī)柜間鏈?zhǔn)浇拥鼐€的截面宜大于或等于6mm2。為保證一點(diǎn)接地，系統(tǒng)接地電纜應(yīng)采用帶絕緣外套的銅芯電纜。 接地極按設(shè)計(jì)可以直接接在全廠電氣接地網(wǎng)上或接在獨(dú)立接地網(wǎng)上，其連接方式及接地電阻應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)定。當(dāng)采用獨(dú)立接地網(wǎng)時(shí)，接地極的接地電阻應(yīng)不大于2（包括接地引上線電阻），接地極最好埋在距建筑物10m15m遠(yuǎn)處，而且DCS系統(tǒng)接地點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備（10KW以上）接地點(diǎn)相距10m以上。 信號(hào)源的接地也是系統(tǒng)接地的一項(xiàng)重要內(nèi)容，屏蔽電纜（電線）、屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線的屏蔽層均應(yīng)一點(diǎn)接地。信號(hào)線通過接線盒等中間有轉(zhuǎn)接時(shí)，兩頭屏蔽層應(yīng)通過轉(zhuǎn)接端子牢固連接，做好絕緣處理，保證全線路屏蔽層應(yīng)有可靠的電氣連續(xù)性及一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)浮空時(shí)，屏蔽層應(yīng)在DCS側(cè)接地；當(dāng)信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在靠近信號(hào)源側(cè)接地。多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞總屏電纜連接時(shí)，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理。（4）采用硬件濾波及軟件抗干擾措施 信號(hào)在接入計(jì)算機(jī)前，在信號(hào)線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號(hào)兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。由于電磁干擾的復(fù)雜性，要根本消除硬件干擾影響是不可能的，因此在DCS控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí)，還應(yīng)在軟件方面進(jìn)