一、概述

　　隨著科學技術的發(fā)展,DCS在工業(yè)控制中的應用越來越廣泛。DCS控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行,系統(tǒng)的抗干擾能力是關系到整個系統(tǒng)可靠運行的關鍵。自動化系統(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)場和各電機設備上,它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高DCS控制系統(tǒng)可靠性,一方面要求DCS生產(chǎn)廠家提高設備的抗干擾能力；另一方面,要求工程設計、安裝施工和使用維護中引起高度重視,多方配合才能完善解決問題,有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。

　　二、電磁干擾源及對系統(tǒng)的干擾

　　1干擾源及干擾一般分類

　　影響DCS控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設備的干擾源一樣,大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位,這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源,即干擾源。

　　干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。其中：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；按噪聲干擾模式不同,分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地的電位差,主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)(同方向)電壓迭加所形成。共模電壓有時較大,特別是采用隔離性能差的配電器供電室,變送器輸出信號的共模電壓普遍較高,有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓,直接影響測控信號,造成元器件損壞(這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因),這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓,主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓,這種直接疊加在信號上,直接影響測量與控制精度。

　　2 DCS控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源

　　2.1來自空間的輻射干擾

　　空間的輻射電磁場(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產(chǎn)生的,通常稱為輻射干擾,其分布極為復雜。若DCS系統(tǒng)置于所射頻場內(nèi),就回收到輻射干擾,其影響主要通過兩條路徑：一是直接對DCS內(nèi)部的輻射,由電路感應產(chǎn)生干擾；而是對DCS通信內(nèi)網(wǎng)絡的輻射,由通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設備布置及設備所產(chǎn)生的電磁場大小,特別是頻率有關,一般通過設置屏蔽電纜和DCS局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

　　2.2來自系統(tǒng)外引線的干擾

　　主要通過電源和信號線引入,通常稱為傳導干擾。這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較嚴重。

　　(1)來自電源的干擾

　　實踐證明,因電源引入的干擾造成DCS控制系統(tǒng)故障的情況很多,筆者在某工程調(diào)試中遇到過,后更換隔離性能更高的DCS電源,問題才得到解決。

　　DCS系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。

　　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感應電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化,入開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等,都通過輸電線路傳到電源原邊。DCS電源通常采用隔離電源,但其機構及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實際上,由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在,絕對隔離是不可能的。

(2)來自信號線引入的干擾

　　與DCS控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線,除了傳輸有效的各類信息之外,總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾,這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾,即信號線上的外部感應干擾,這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低,嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng),還將導致信號間互相干擾,引起共地系統(tǒng)總線回流,造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機。DCS控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當嚴重,由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。

　　(3)來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾

　　接地是提高電子設備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地,既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制設備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地,反而會引入嚴重的干擾信號,使DCS系統(tǒng)將無法正常工作。

　　DCS控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對DCS系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均,不同接地點間存在地電位差,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接地,如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地,就存在地電位差,有電流流過屏蔽層,當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時,地線電流將更大。

　　此外,屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環(huán)路,在變化磁場的作用下,屏蔽層內(nèi)有會出現(xiàn)感應電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,干擾信號回路。若系統(tǒng)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。DCS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的邏輯運算和數(shù)據(jù)存貯,造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降,引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。

　　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制造廠對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設計的內(nèi)容,比較復雜,作為應用部門是無法改變,可不必過多考慮,但要選擇具有較多應用實績或經(jīng)過考驗的系統(tǒng)。

　　三、DCS控制系統(tǒng)工程應用的抗干擾設計

　　為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾,必須從設計階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源；切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑；提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點就是抑制電磁干擾的基本原則。

　　DCS控制系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程,要求制造單位設計生產(chǎn)出具有較強抗干擾能力的產(chǎn)品,且有賴于使用部門在工程設計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮,并結合具有情況進行綜合設計,才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運行可靠性。
進行具體工程的抗干擾設計時,應主要以下兩個方面。

　　1設備選型

　　在選擇設備時,首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品,其包括了電磁兼容性(EMC),尤其是抗外部干擾能力,如采用浮地技術、隔離性能好的DCS系統(tǒng)；其次還應了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標,如共模擬制比、差模擬制比,耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環(huán)境中工作；另外是靠考查其在類似工作中的應用實績。在選擇國外進口產(chǎn)品要注意：我國是采用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)。由于我國電網(wǎng)內(nèi)阻大,零點電位漂移大,地電位變化大,工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上,對系統(tǒng)抗干擾性能要求更高,在國外能正常工作的DCS產(chǎn)品在國內(nèi)工業(yè)就不一定能可靠運行,這就要在采用國外產(chǎn)品時,按我國的標準(GB/T13926)合理選擇。

　　2綜合抗干擾設計

　　主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種如果抑制措施。主要內(nèi)容包括：對DCS系統(tǒng)及外引線進行屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對外引線進行隔離、濾波,特別是原理動力電纜,分層布置,以防通過外引線引入傳導電磁干擾；正確設計接地點和接地裝置,完善接地系統(tǒng)。另外還必須利用軟件手段,進一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。

四、主要抗干擾措施

　　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,電源占有極重要的地位。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(如CPU電源、I/O電源等)、變送器供電電源和與DCS系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的。現(xiàn)在,對于DCS系統(tǒng)供電的電源,一般都采用隔離性能較好電源,而對于變送器供電的電源和DCS系統(tǒng)有直接電氣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,對于變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容孝抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術)的配電器,以減少DCS系統(tǒng)的干擾。

　　此外,位保證電網(wǎng)饋點不中斷,可采用在線式不間斷供電電源(UPS)供電,提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強的干擾隔離性能,是一種DCS控制系統(tǒng)的理想電源。

　　2 電纜選擇的敖設

　　為了減少動力電纜輻射電磁干擾,尤其是變頻裝置饋電電纜。筆者在某工程中,采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜,從而降低了動力線生產(chǎn)的電磁干擾,該工程投產(chǎn)后取得了滿意的效果。

　　不同類型的信號分別由不同電纜傳輸,信號電纜應按傳輸信號種類分層敖設,嚴禁用同一電纜的不同導線同時傳送動力電源和信號,避免信號線與動力電纜靠近平行敖設,以減少電磁干擾。

　　3 硬件濾波及軟件抗干擾措施

　　信號在接入計算機前,在信號線與地間并接電容,以減少共模干擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

　　由于電磁干擾的復雜性,要根本消除迎接干擾影響是不可能的,因此在DCS控制系統(tǒng)的軟件設計和組態(tài)時,還應在軟件方面進行抗干擾處理,進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

　　常用的一些措施：數(shù)字濾波和工頻整形采樣,可有效消除周期性干擾；定時校正參考點電位,并采用動態(tài)零點,可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術,設計相應的軟件標志位；采用間接跳轉(zhuǎn),設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。

　　4正確選擇接地點,完善接地系統(tǒng)

　　接地的目的通常有兩個,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DCS控制系統(tǒng)而言,它屬高速低電平控制裝置,應采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響,裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz,所以DCS控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯(lián)一點接地方式。集中布置的DCS系統(tǒng)適于并聯(lián)一點接地方式,各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。如果裝置間距較大,應采用串聯(lián)一點接地方式。用一根大截面銅母線(或絕緣電纜)連接各裝置的柜體中心接地點,然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于22mm2的銅導線,總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻小于2Ω,接地極最好埋在距建筑物10～15m遠處,而且DCS系統(tǒng)接地點必須與強電設備接地點相距10m以上。

　　信號源接地時,屏蔽層應在信號側(cè)接地；不接地時,應在DCS側(cè)接地；信號線中間有接頭時,屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理,一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時,各屏蔽層應相互連接好,并經(jīng)絕緣處理。選擇適當?shù)慕拥靥巻吸c接點。

　　五、結束語

　　DCS控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復雜的問題,因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制抗干擾,對有些干擾情況還需做具體分析,采取對癥下藥的方法,才能夠使DCS控制系統(tǒng)正常工作。