工业自动化控制系统的抗干扰技术分析.pdf
第 5期 2 0 1 2年 5月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Aut o ma t i on NO . 5 M a v 2 01 2 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 5 0 0 3 9 0 4 黄勤 陆 , 黄骏 , 黄 凤江. 工业 自动化 控制 系统 的抗干 扰技 术分 析[ J ] . 工矿 自动 化 , 2 0 1 2 5 3 9 4 2 工业 自动化控制系统的抗干扰技术分析 黄 勤 陆 , 黄骏。 , 黄凤 江。 1 . 成 都纺织 高 等专科 学校 电气 系 ,四川 成都 6 1 1 7 3 1 ; 2 . 重庆新 世纪 电气有 限公 司 ,重庆4 0 0 0 4 1 ; 3 . 成都维斯莱科技有限公司 ,四川 成都 6 1 0 0 4 1 摘 要 分析 了干扰 感应模 型 , 指 出常见 的工业 自动化 控 制 系统 的干扰 源 包括 辐 射 干扰 、 传 导 干扰 和 设 计 施 工 引起 的干扰 , 分析 了这 些干扰 的产 生机理 ; 指 出应从 设 计和 现 场施 3 - - 两方 面采 取 抗 干扰措 施 , 设 计 阶段 要考虑电源设计 、 接地 系统设计、 管线设计、 器件选择 、 软件设计等 因素, 并给 出了常见的抗干扰措施 ; 以某燃 气站控 制 系统 为例介 绍 了抗 干扰措 施在 实际工业现 场 中的应 用方 案 , 验 证 了合 理 的抗 干扰 措 施 可 有效 降低 干扰 , 保证 工业 自动化 控制 系统 的可 靠运行 。 关键 词 自动控制 ;抗干扰 ;干扰 抑 制 ;干扰 源 ;辐射 干扰 ; 传 导干扰 ; 施 工 干扰 中图 分类号 T D6 7 文 献标识 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 2 0 4 2 7 1 6 5 1 网络 出版地 址 h t t p / / w ww. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 O 1 2 0 4 2 7 . 1 6 5 1 . 0 1 1 . h t ml An a l y s i s o f Ant i i n t e r f e r e nc e Te c h no l o g y o f I nd u s t r i a l Aut o ma t i c Co n t r o l Sy s t e m HUANG Qi n l u , HUANG J u n 。 , HUANG F e n g j i a n g 。 1. De p t .o f El e c t r i c a l Eng i ne e r i n g o f Che n gd u Te xt i l e Col l e ge ,Che ng du 6 1 1 7 31,Chi n a 2. Cho n gq i n g Ne w Ce n t ur y El e c t r i c a l Co. ,Lt d. ,Ch o ng q i ng 4 0 0 0 4 1,Ch i n a. 3. Ch e n gd u W i s l a i Te c hno l o gy Co. ,I t d. ,Ch e ng du 6 1 0 0 41,Chi n a Ab s t r a c t Th e p a p e r a na l y z e d i n t e r f e r e n c e i n du c i ng mo de l , po i n t e d o u t t h a t c o mmo n i nt e r f e r e nc e s o u r c e s a r e r a d i a t i o n i n t e r f e r e n c e . c o n d u c t e d i n t e r f e r e n c e a n d c o n s t r u c t i o n i n t e r f e r e n c e i n i n d u s t r i a l a ut o m a t i c c on t r o l s y s t e m ,a nd a na l y z e d ge ne r a t i ng pr i n c i p l e o f a b ov e i n t e r f e r e n c e s.Th e n i t a d v a n c e d t o a d op t a nt i i nt e r f e r e n c e m e a s u r e s i n t e r m s of f i e l d c on s t r u c t i o n a nd d e s i g n me t ho ds i n c l u di ng p owe r s ou r c e de s i gn,gr o un di n g s y s t e m de s i gn, p i p e l i ne d e s i gn, c o mpo ne nt s e l e c t i on a n d s of t wa r e de s i gn, a nd g a ve c o mmon a nt i i n t e r f e r e n c e m e a s u r e s .Fi n a l l y i t t o o k a c o nt r o l s y s t e m o f g a s s t a t i o n f o r e xa m p l e t o i n t r o du c e a p pl i c a t i on s c he me of a n t i i nt e r f e r e nc e me a s ur e s i n a c t u a l i nd us t r i a l f i e l d,whi c h v e r i f i e d t ha t a pp r op r i a t e a nt i i n t e r f e r e n c e m e a s u r e s c a n d e c r e a s e i n t e r f e r e nc e e f f e c t i v e l y a nd i m p r ov e r e l i a b i l i t y o f i n dus t r i a l a ut o m a t i c c on t r o 1 s ys t e m . Ke y wo r d s a u t o ma t i c c o n t r o 1 ,a nt i i n t e r f e r e nc e,i n t e r f e r e nc e r e s t r a i nt ,i n t e r f e r e nc e s o ur c e ,r a d i a t i o n i nt e r f e r e nc e .c on du c t e d i nt e r f e r e n c e.c on s t r u c t i o n i nt e r f e r e nc e 0 引言 目前 , 由大规模集成微处理芯片构成 的可编程 控 制器 P L C 、 分 散型控 制 系统 D C S 、 现场 总线 控 制 系统 F C S 、 工业控制 机 I P C 以及 各种测 量 控制 仪 表 已成为 工业 自动化 控制 系统 的硬件基 础 。这些 器件的 P C B板 内部连接线路越来越细, 线路上所传 递 的信 号 电流越 来越 小 , 微 处 理 芯 片 的供 电电压 也 越 来越 低 , 芯 片对 环境 噪声也越 趋 敏感 , 很 容易 被周 围干扰 源干扰 而 引 起 控制 系统 误 动作 。另外 , 自动 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 一O 1 作者简 介 黄勤陆 1 9 7 1 一 , 男 , 四川成都人 , 高级工程师 , 研究方向为电气 自动化 与应用 电子技术。E ma i l h u a n g q i n l u 1 6 3 . c o rn 4 0 工 矿 自动 化 2 0 1 2年 5月 化控 制系统 大多 安装 在工业 生产 现场 , 现场设 备 多 , 输人 / 输 出端 E l 多 , 控 制 电缆 多 , 且 环境 复杂 , 多为各 种 强 电 电路 和设 备所 形 成 的恶 劣 电磁 环 境 ] , 导致 经 常出现 莫名其 妙 的信号误 动作 、 死机 、 数据 采集 偏 差大 、 信号相互干扰 、 有异常 电压和 电流 窜人 等现 象 , 使 系统 处 于不 可 控 状态 , 无 法 正 常工 作 。 因此 , 必须 采取 一定 的抗 干 扰措 施 , 以提 高 整个 控 制 系 统 的可 靠性 。一方 面 , 各 DC S 、 P I C、 变 频 器生 产 厂 家 应 注意提 高产 品本 身的抗 干扰能 力和 减少对 外部设 备 的影 响 ; 另一 方面 , 各 电气 系统 集成 商和工 程人 员 在 工程设 计 、 安 装施 工 和 使用 维 护 中应采 取 有 效 的 技术 预 防和抑 制措施 。本 文将通 过实 例对 干扰来 源 和应 对措 施进 行分 析 。 1干扰 源分 析 1 . 1 干扰 感应模 型 干 扰源 是 干扰 变 量 的起 源 , 所 有进 行 电磁 能 量 传 输 的设 备都 可能 成为 干扰源 。干扰 源可 能位 于系 统 内部 , 也 可 能 位 于 系 统 外 部 。干 扰 感 应 模 型 如 图 1所 示 。 图 I干扰感应模型 干扰变 量与敏 感设 备 的耦 合方 式有 电流耦 合方 式 通 过正 常 电路 进行耦 合 、 电容耦 合方 式 通 过 电 场进行 耦合 、 电感耦 合 方 式 通 过 磁 场进 行 耦 合 、 电磁 波或者 辐射 感应 通过 电磁场 进行 耦合 。这些 电磁 活动具 有很 大 的 振 幅和 频 率 范 围 , 可 对 敏 感 设 备 产生不 同程 度 的损 害 。 I . 2 常见干扰 源 干扰 源按 不 同分 类规 则可分 为 自然干扰 源 和技 术 干扰源 、 窄频 和宽 频干扰 源 、 导体干 扰源 和辐射 干 扰 源 、 电源 干 扰 源 、 有 序 干 扰 源 和 无 序 泄 露 干 扰 源 、 连续 干扰 源 和 间歇 干 扰源 等 。笔 者 在 长期 的 电 气 工程项 目实施 中 , 发 现工 业 现场 的干 扰 主要 来 自 两个方 面 1 变 频器 和雷 电干 扰 , 造 成 空 间辐 射 干 扰和线 路 电磁干扰 ; 2 来 自大 电流 的 线路 干扰 , 即 电源 于扰 。下面分 析 工业 自动化控 制系 统 中的常见 干 扰 。 1 . 2 . 1 辐射 干扰 辐 射干 扰是 指 雷 电 、 电弧 电路 、 射 频设 备 、 高频 感 应设 备等 产生 的空 间辐射 电干扰 _ 3 ] 。对 于该 类 干 扰 , 一 般无 法抑 制干扰 源 , 主要是 通过切 断或 减弱 电 磁干 扰 的传 播途 径来 减 少 干 扰 影 响 , 如采 取 等 电位 联机 、 屏蔽 、 保护 隔 离 、 合理 布线 和 装设 防雷 装 置 等 措施 , 进行 全方 位 的防雷保 护 。 1 . 2 . 2 传 导干 扰 传导干扰是指通过电源线和信号线等线路引入 的干 扰 。 1 由电源线 引入 的干扰 由电源线引 入 的干扰在 工业 现场较 为 常见 。该 类干 扰主要 来 自两个方 面 ① 通过 供 电 电源 系统 直 接窜 入 ; ② 通 过供 电 电源耦合 进 入 。控制 系 统一 般 由电网电源供电, 电网波动、 大功率用 电设备启停 、 交直 流传 动装 置引 起 的谐 波 、 电 网短 路 暂 态 冲击 等 都会 通过 输 电线 路 传 到 电源 原 边 , 对 控 制 系统 造 成 干 扰 。 对 于输 送 电源 过 程 中产 生 的 干扰 , 可 以采 用 铠 装 电缆进 行抑制 , 并 采 用 动 力 电缆 和 信 号 电缆 分 开 走 的方式 。对 于变 频 器 干扰 的抑 制 , 最 常 用 的方 法 是 对变 频器加 装 隔离 变 压器 、 使安 装 位 置 尽 量远 离 检 测开 关 、 走 线尽 量用钢 管单 独穿 、 变频 器单 独安装 在铁皮 箱里 对外部 屏蔽 、 变频 器可 靠接地 、 线 路尽量 垂直布 线 、 降低变 频器 的开关 频率 、 隔离 等 。 2 由信 号线引 人 的干扰 当导 线有 电流 流过 时会 在 周 围产生 感 应 磁场 , 感应磁 场会 引起 相邻 导 线 上 产 生感 应 电流 , 当感应 电流 足够 大时会 对检测 开关 后级 的信 号接 收设备 产 生干扰 信 号 。与控制 系统 连接 的各 类 信号线 总会 有 外部 干扰 信号侵 入 , 从 而 引起控 制器 逻辑数 据变 化 、 误 动作和 死机 。最 常用 的干扰抑 制方 法是选 用屏 蔽 电缆 , 并 将几 条信号 线 的屏 蔽层 编成 辫状 接地 。 I . 2 . 3 设 计施 工 引起 的干扰 设计 施 工 引起 的干扰 主要 是 工程 技术 设 计 、 安 装 、 调试 和设备 选 型 、 操 作 等 引起 的干 扰 , 如 开关 高 功率设备 、 高 频发 生器 与控制 器空 间距离 不够 、 接地 系统混 乱 引起 的干 扰 。对该类 干扰 的抑 制措 施是合 理地设 计接 地系统 , 具体 方法 将在 下文 介绍 。 2抑 制干 扰 的主要措 施 由于 工业 现 场 的环 境 复 杂 , 各种 干 扰通 过 不 同 的耦合 方式 进入 控 制 系统 , 使 控 制 系统 无 法 正 常 工 作 。为 了保 证控 制 系统在工 业 电磁 环 境 中免 受或 减 少 内外 电磁 干扰 , 必 须 在设 计 和 施 工 中采取 有 效 的 干扰 抑制 措施 。在工 程 的需 求分 析 和设计 阶段 考虑 2 0 1 2 年 第 5期 黄 勤 陆等 工 业 自动 化控 制 系统的抗 干扰技 术 分析 4 1 可能 引起不 稳定 的 干扰 因素 , 才 能 在 安装 调 试 阶 段 出现 干扰 后 有 的 放 矢 , 减 少 变 更 设 计 和 返 工 费 用 。 抑制 干扰 的基 本原则 抑 制干扰 源 ; 切 断或 减弱 电磁 干扰 的传播途径 ; 提高装置和系统 的抗 干扰 能力。 在设 计 阶段 需要 考 虑 的 因素 有 电 源设 计 、 接 地 系 统 设计 、 管 线设计 、 软件 设计 等 。 2 . 1 电 源设 计 在 大功 率 器 件 和变频 器 应 用 的场 所 , 需要 特 别 注 意 电源 的隔离 和 电源 线 路上 的抗 干 扰措 施 , 如 进 线 电源分 级加 装避 雷器 ; P I C电源 输 入端 使 用 隔离 变压器 , 隔离变压器的初级绕组和次级绕组分别加 屏 蔽层 , 并将 屏蔽层 可靠 接地 , 二次 侧接 线使用 双绞 线 等 。 2 . 2 接 地 系统设 计 现 场环境 对信 号线 的干扰 可造 成控 制系统 数据 混乱、 程序跑飞或死机、 测量精度下降、 误动作 等现 象_ 5 ] 。这些 问题产 生 的原 因 大都 与 接 地 系统 有 关 。 完 善 而合理 的接 地 系统 设 计 是抗 干 扰 的有效 措 施 。 正 确 的接地 既能抑 制 电磁 干扰 的影 响 , 又 能抑 制 设 备 向外发 出干扰 ; 而 错误 的接 地 会 引 入严 重 的干 扰 信号 , 使控制 系 统无 法 正 常 工作 。工程 上 可 以把 接 地 分 为安全 接地 、 系统 接地 、 信 号屏 蔽接 地三种 。接 地 系统 混乱对 控制 系统 的干扰 主要 是 由于各个 接地 点 电位分 布不均 , 不 同接 地点 间存 在 地 电位 差 而 引 起 地 环路 电流 , 影 响系 统正 常工作 。 设 计 时工作接 地要 与保 护接地 严格 分开 。保 护 接 地 电阻最 好小 于 2 Q, 接 地 极 的 接 地 点 必须 与 强 电设 备接地 点相 距 1 0 m 以上 , 埋 在 距 建 筑 物 1 O ~ 1 5 m处 , 避免电力设备接地装置升高的电位对 电子 设 备产 生反击 。信 号 源 接 地 时 , 屏 蔽 层 应 在 信号 侧 接地 ; 不接地 时应 在控 制器侧 接地 ; 信号 线 中间有 接 头时 , 屏蔽层 应牢 固连 接并进 行绝 缘处 理 , 严格 避 免 多点 接地 ; 多个测 点 信 号 的屏 蔽 双 绞线 与 多 芯对 绞 总屏 电缆连接 时 , 各 屏 蔽层应 相互 连接好 , 并经 绝缘 处 理 , 选 择适 当 的接 地 处 单 点接 地 。信 号 接 人计 算 机前, 在信号线 与地之间并接 电容 , 以减少共模 干 扰 ; 在 信号两 极 间加装 滤波器 , 以减 少差 模干 扰 。 2 . 3 管 线设 计 应 设计 合适 的信 号 线 、 电源 线 、 通 信线 管 道 , 例 如 通信 管路最 好采 用 金 属 管 道 , 并 与 电源 线保 持 足 够 的安 全距 离 。应选用 合适 的 电缆且正 确敷设 。选 用信号电缆时要考虑实用、 经济和抗干扰因素。目 前普 遍 采 用 标 准型 号 电缆 , 如 0 . 7 5 mm。 两 芯 带 屏 蔽 双绞线 。敷 设信 号 线 时 的注 意 事 项 1 不 同类 型的信号分别 由不 同的电缆传输 , 信号 电缆应按传 输信号种类分层敷设。 2 模拟信号和数字信号不 能 合用 同一根 多芯 电缆 , 更 不 能和 电源线共 用 电缆 。 3 信 号线 缆 要用 一 根完 整 的 电缆 , 杜绝 接 头。 4 信号线 缆要远 离 大功 率 电动机 等感 性 负载 。 5 信 号线 缆 和 电 源线 缆 不 能 放 在 同一 线 槽 里 , 且 要避免近距离平行敷设。如果必须放在一起 , 两者 之 间 的距离 要大 于 6 0 c m, 并 在 两者 之 间加 放 隔板 , 还要将信号线装入镀锌金属管中。 2 . 4器件 的选择 器件 的 选 择 主 要 根 据 电 子 产 品 基 本 特 性 进 行 [ 6 ] 。例如将 电压 信 号 转 换成 电流 信 号传 输 时 , 选 用双积分 AD和 R C等滤波器可 以消除高频干扰 , 减 少 差模干 扰 ; 采用 双 差分 输 入 的 差 动放 大 器 和 绞 合线 , 并采 取光 电 隔离 、 屏 蔽 地 线 和单 边 接 地 、 长距 离传输 的阻抗匹配等措施 , 可 以提高信号线路上的 共 模抑 制 比 , 消 除共 模 干 扰 。采 用 隔离 模 块 是 生产 现场 常见 的抗 干扰 措 施 。实 践 证 明 , 当 干扰 电流 低 于 1 5 mA时, 在检测元件与信号接收端加装隔离模 块 , 能够有 效 减 少 干 扰 , 提 高 控 制 系 统 工 作 的 可 靠 性 。 带隔离的模拟量模块 、 开关量模快 、 通信模块的 选用依赖于大量 的工程设计和实施经验 , 所 以一般 由经 验丰 富 的工 程师 确定 。隔离 变送模 块 主要 应用 于高共模电压环境下 的信号变送 , 实现被测对象和 数据采集系统的隔离 , 从而提高共模抑制比, 同时保 障电子仪器设备和人身安全 , 广泛应用于测量设备 和控 制系 统 等 领 域 。隔 离 变 送 器 产 品 涵 盖 了热 电 阻 、 热 电偶 、 模 拟量 输 入 、 模 拟量 输 出 、 数字 量 输人 、 数字 量输 出等全 系列 产 品 , 具 有 功 耗 低 、 发 热 量低 、 寿命 长 、 使 用简单 等优 点 。 2 . 5软 件 设 计 通过软 件设 计减 少干扰 的方 法是 指在计 算机 程 序 中采用平均值滤波 、 中位值滤波 、 限幅滤波和惯性 滤波等方法对信号进行数学处理, 减少或消除干扰 信号的数量和强度 , 从 而提高输入信号 的可靠性 。 该方法硬件投资少, 数字滤波稳定性高 , 参数容易修 改 , 程 序容 易移植 。 2 . 6 现 场 施 工 工程 现 场 条件 错 综 复杂 , 必 须 由施 工 经验 丰富 4 2 工矿 自动 化 2 0 1 2年 5月 的工程 师 现 场 指挥 。施 工 人 员 必 须 按 设 计 要 求 施 工 , 特别 应 注 意 接 地 线 和 强 电与 弱 电 的安 全距 离 。 施 工完毕 后 , 应 该按 区域 和功 能分步骤 、 有条 理地 进 行试 车 和现场测 试 。 3抗干 扰综 合应 用实例 下面 以某燃 气站 控制 系统 为例来 分析抗 干扰措 施 的应用 。系统结 构如 图 2所示 。 流 量 变j 羞 器 温 厦 变 送 器 压 力燹 送 器 三 相 燹 沉 电动 机 图 2 某燃气站控制系统结构 该 燃气 站控制 系统包 括 电源 系统 、 控 制系 统 、 检 测 和执行 机构 三部 分 。电源 系统 由配 电柜 、 UP S 、 隔 离变压 器组 成 , 采 用 三级 避 雷 器 抑制 由雷 电 和高 电 压产 生的 干扰 , 各 主 要设 备 外 壳 都采 用 了安 全接 地 保护措 施 。 控 制 系统 由 I P C、 P I C和 变 频 器组 成 。控 制 电 源 由 UP S提 供 , 现 场流量 、 温 度 、 压 力等传 感器 均输 出 mA或 mV级弱信号 , 这些信号由 P I c和 I P C进 行处 理 。传感器 与 控 制室 之 间 距离 较 远 , 感 应 雷 电 波容 易从 信号线 上 侵 入 , 导致 控 制 系 统无 法 正 常 工 作 。针对 这些 问题 , 对 UP S前后都 采用 避雷 器进 行 保护 和 干 扰 抑 制 , 对 I P C 和 P L C采 用 工 作 接 地 设 计 , 对 流量 变送 器 、 温度变送 器 、 压 力 变送器 、 变频 器 外壳 采取 安全 接地 措 施 , 特别 是 对 变送 器 的输 出信 号 , 大量采 用 了菲尼 克斯 电气 MAC X系列 隔离变 送 器 , 将直流 电压 、 电流信号按线性 比例转换成相互电 隔 离 的直 流 电压或 电流信 号[ 7 _ 8 _ 。 另外 , P I C信 号 电缆 屏 蔽 层 采 用 一 点 接 地 方 式。P I c通过串口通信方式控制变频器, 通信 电缆 屏蔽 层靠 近 P L C端 , 进行单 端接 地 。如果 屏 蔽线 采 用 两端接 地方 式 , 就会 存在 等 电位差 , 有 电流流过 屏 蔽层 , 形成 共模 干扰 。这 时如果 发生异 常 如雷击 , 地线 电流将 更大 , 屏蔽 层 、 接 地线 和大地 有可 能构 成 闭合 环路 , 在变 化磁场 的作用 下 , 屏蔽层 内可能 出现 感应 电流 , 感应 电流通 过屏 蔽层 与芯线 耦合 , 从而 干 扰信 号 回路 。变 频 器 电 源进 线 前 加 装 了 隔离 变 压 器 , 以减少 来 自电源线 的传 导干扰 , 同时采用 了交 流 和直流电抗器, 以降低 主电源谐 波、 浪涌 和峰值 电 流 , 提高低频传导抗干扰性, 提高设备 的可靠性 , 还 可通 过提 高 网侧 的功率 因数 , 改 善 网侧 的波 形 来 预 防变 频器 将其 自身 的干扰传 导给 电源 。 该燃 气 站控 制 系统 采 用 以上 抗 干 扰措 施后 , 在 调试 和生 产运 行阶段 没有 发现信 号误 动作 、 死机 、 异 常 电压 和 电流 窜入 等 现象 , 达 到 了抗 干 扰设 计 的预 期 效果 。 4 结语 工业 现场 的干扰 抑制 是一个 比较 系统 和复 杂的 工程 , 需要 全面 考虑 可能 出现 的各种 干扰 , 尤 其是 在 设计 阶段 就需 要仔 细 分析 工 作 环境 , 结 合控 制 系 统 的产 品型号 和规格 进 行设 计 ; 在 系统 施 工 过程 中严 格按 照设 计要 求和规 范进 行安装 、 调试 , 从 而有效 抑 制 干扰 , 使工业 自动 化控 制系统 正 常 、 可靠 地运 行 。 参 考 文献 [ 1 ] 路宏敏. 工程 电磁兼 容[ M] . 西安 西安 电子科 技大 学 出 版 社 , 2 0 0 3. 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