淺談自動化控制系統(tǒng)抗干擾

【摘 要】自動化控制系統(tǒng)抗干擾。一是電源抗干擾，二是接地抗干擾技術(shù)。對于自動化控制系統(tǒng)的調(diào)試維護有著一定的借鑒。

【關(guān)鍵詞】自動化控制系統(tǒng)；抗干擾

現(xiàn)代化的工業(yè)，無一例外的使用自動化控制系統(tǒng)。國際上比較流行的品牌有美國的GE、德國的西門子、法國的施耐德等等；國內(nèi)比較流行的品牌有和利時、新華等等。雖然品牌眾多，但是究其原理卻大同小異，而且各有設(shè)計的側(cè)重點，不論哪種系統(tǒng)，經(jīng)過多年來不斷的改進，其穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性都已非常完善。但是對于現(xiàn)場安裝的控制系統(tǒng)，以上所述的性能都無一例外的有所下降，筆者經(jīng)過大量的安裝調(diào)試維護工作之后，總結(jié)了一些控制系統(tǒng)抗干擾的經(jīng)驗。

一、自動化控制系統(tǒng)的電源抗干擾

不論是進口的還是國產(chǎn)的控制系統(tǒng)，對電源的要求都非常嚴(yán)格，控制系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的實時監(jiān)測，對現(xiàn)場進行實時控制，因此要求系統(tǒng)的電源能夠保證連續(xù)不間斷供電。故大多數(shù)控制系統(tǒng)采用雙路冗余電源，在一路電源故障時能夠?qū)崿F(xiàn)無擾切換。

為了增加系統(tǒng)的可靠性，有些操作系統(tǒng)還接入了UPS不間斷電源。選用UPS時要考慮電源的品質(zhì)，通常對電源的要求為：電壓單相220VAC±15%，頻率50Hz±1Hz，波形失真率＜3%，且零地電壓要小于1VAC;這是由于現(xiàn)在的控制系統(tǒng)內(nèi)部的芯片工作電壓都很低，過大的零地電壓可能導(dǎo)致芯片工作異常，甚至導(dǎo)致電子電路的損毀。

如何解決零地電壓過高的問題，首先要分析零地電壓產(chǎn)生的基本原理：零線電壓，為零線電流，為零線電抗，為導(dǎo)線電導(dǎo)率，為線長，為導(dǎo)線截面積。由于線與線之間產(chǎn)生耦合電感和電容，高次諧波一定在零線、地線之間產(chǎn)生出高頻電流，同時可以提高零地電壓。通過對比分析，認(rèn)識了零地電壓產(chǎn)生的原因，就可以找到解決方法：

縮短零線長度，增大零線截面積。根據(jù)零線電壓公式，當(dāng)減小L，增大S，隨之減小，零地電壓也隨之降低。這種方法效果明顯，但是受現(xiàn)場的實際情況限制，需在設(shè)計構(gòu)想之初認(rèn)真研究，不然就難以再次進行改變。

對于UPS，在逆變器正常運行階段，從理論上講，UPS輸入端零線的電流顯示應(yīng)該為零?？墒且驗榭刂剖医尤氲膭恿|通過的都是大電流，每根電纜基本都存在諸多電磁干擾，而大多數(shù)的電纜在一起捆著，又需要跨越較長的線路，所以導(dǎo)致大量的高頻干擾產(chǎn)生并互相作用，高頻干擾電流從零線和地線通過必然產(chǎn)生零、地兩線間的壓降。具體操作時把UPS的火線、零線和地線保持一定間距，其距離需要控制在20cm到40cm之間。盡量使另外的動力電纜遠離UPS零線，零線和地線應(yīng)該采取鎧裝屏蔽電纜。這種方法不必增加投入，但在設(shè)計施工時需要充分考慮，而且控制室所有附帶必要裝置的變動很容易使電磁干擾環(huán)境改變，有可能導(dǎo)致零地電壓漂移不定，難以從本源方面解決根本問題。

在UPS的負(fù)載端添加隔離變壓器，然后把隔離后的零線與地接入，實踐證明這種接入方法是很有效的。因為經(jīng)過隔離后的零線與地相接，絕對保障所負(fù)載的零地電壓在安全值內(nèi)，而且不會對UPS及供電回路產(chǎn)生影響。前面所述的各種高頻電磁干擾，都會在進入UPS時通過濾波回路消除。

我們采用在UPS負(fù)載端加配隔離變壓器，同時把隔離后的零線與地接入的方法，能夠有效的保護控制系統(tǒng)的芯片，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

二、自動化控制系統(tǒng)的接地抗干擾

要想了解接地抗干擾技術(shù)，首先要了解“地”“接地”的概念

大地是一個電阻非常低，電容量非常大的物體，擁有吸收無限電荷的能力，并且在吸收大量電荷后仍保持電位不變，因此作為電氣系統(tǒng)中的參考電位體。

與大地緊密接觸并形成電氣接觸的一個或一組導(dǎo)電體稱為接地極。如圖所示，當(dāng)流入地中的電流I通過接地極向大地做半球形散開時，由于半球形的球面在距離接地極越近的地方越小，越遠的地方越大，所以在距離接地極越近的地方電阻越大，而在距離接地極越遠的地方電阻越小。試驗證明，在距單根接地極或碰地處20米以上的地方，實際電阻可以忽略，電位基本為零。該電位即為“電氣地”或稱“地電位”地電位是指流散區(qū)以外的區(qū)域，在接地極分布很密的地方，很那存在電位等于零的電氣地。

將電力系統(tǒng)或電氣裝置的某一部分經(jīng)接地線連接到接地極稱為“接地”。將電力系統(tǒng)或電氣裝置的某一部分經(jīng)接地線連接到接地極稱為“接地”。

為了理解接地的目的，我們先介紹一下自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用中所面臨的幾種干擾。干擾又叫噪聲，是竄入或疊加在系統(tǒng)電源、信號線上與信號無關(guān)的電信號。干擾會造成測量的誤差，嚴(yán)重的干擾（如雷擊、大的串模干擾）可能會造成設(shè)備損壞。

在被控制現(xiàn)場往往有很多的信號同時接入計算機，無論這些信號線是從電纜槽還是電纜管布置，定有多根電纜共同布置，這些信號之間均有分布電容存在，會通過這些分布電容將干擾加到別的信號線上，同時，在交變信號線的周圍會產(chǎn)生交變的磁通，而這些交變磁通會在并行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動勢，這也會造成線路上的干擾。

工程中我們采用的方法有隔離、屏蔽、絞線等方法，這些方法在設(shè)計時充分考慮線纜的型號和布置路線就可完全實現(xiàn)，而最有效、最關(guān)鍵的方法是通過接地抗干擾。抗干擾接地分為邏輯地、信號回路接地、屏蔽接地。

邏輯地：也叫主機電源地，是控制系統(tǒng)中計算機內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地，它同時也是系統(tǒng)內(nèi)部電信號和電路運算的基準(zhǔn)參考電平。需接入公共接地極。

系統(tǒng)地：系統(tǒng)基準(zhǔn)地，通常也是系統(tǒng)電源地（24V、5V負(fù)端），為控制系統(tǒng)信號及內(nèi)部電路提供的一個基準(zhǔn)地（零電位），也要接入公共接地極。

信號回路接地：各變送器的負(fù)端接地、開關(guān)量信號的負(fù)端接地等，是控制系統(tǒng)對外界信號輸入\\輸出的信號基準(zhǔn)參考電平。

屏蔽接地：也叫模擬地，是為了避免電磁場對儀表和信號的干擾而采取的屏蔽網(wǎng)接地。必須單端接地，且需要接入公共接地級。

控制系統(tǒng)中的模擬通道和數(shù)字通道應(yīng)當(dāng)采用各通道接地線并聯(lián)后再接地，并聯(lián)接地中各電路的地電位只與其自身的地線阻抗和地電流有關(guān)，互相之間不會造成耦合干擾。在我們的工業(yè)現(xiàn)場，多路模擬信號采用屏蔽雙絞線接至控制系統(tǒng)，所有模擬信號源都浮置，模擬輸入信號采用一點接地，接地點選在控制系統(tǒng)的模擬地GA上。屏蔽層采用并聯(lián)一點接地接到模擬地上，這種方法靠雙絞線抑制磁場耦合干擾，屏蔽層屏蔽電場干擾，不會引入其他噪聲，可靠性好。所有模擬電路的地線并聯(lián)于GA點，用一根具有絕緣皮的低阻抗導(dǎo)線，將模擬地接到專為控制系統(tǒng)埋設(shè)的獨立接地體上；控制系統(tǒng)的數(shù)字地也應(yīng)并聯(lián)與一點GD，用一根具有絕緣皮的低阻抗導(dǎo)線，將數(shù)字地接到專為控制系統(tǒng)埋設(shè)的獨立接地體上；控制系統(tǒng)的外設(shè)地線也應(yīng)并聯(lián)于該獨立接地體上。我們要求埋設(shè)專門的獨立安全保護地，并把設(shè)備和系統(tǒng)的保護地并聯(lián)接獨立安全保護地。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)的安全保護地線接地電阻要<4Ω。

在工業(yè)現(xiàn)場，控制系統(tǒng)的接地點應(yīng)遠離防雷接地點15米以上，并且在控制系統(tǒng)接地點15米以內(nèi)，應(yīng)避免使用焊機等電流較大且電流不穩(wěn)定的設(shè)備；如必須使用，應(yīng)采用與控制系統(tǒng)分別接地的電源，且焊機焊線的負(fù)端應(yīng)與焊點盡量接近，避免焊體由于通過電流部分過長而導(dǎo)致焊體電壓過高。其原因為當(dāng)雷擊發(fā)生時或者焊機工作時，有極大電流通過防雷接地點或者焊體接地點，在瞬間抬高了接地點附近的電壓，如果控制系統(tǒng)接地點距離過近，就會抬升系統(tǒng)的邏輯地，此時運算電路的基準(zhǔn)電位被抬高，在運算電路的一些放大器回路中就會有一個以被抬高的基準(zhǔn)電位為零電位的電壓，而一旦干擾的電流消失，系統(tǒng)的邏輯地瞬間回到大地的電位，運算電路的基準(zhǔn)電位回到零位，而放大器回路中的電勢還基本保持不變，其電壓就是正常工作電壓加上被抬高的電勢，而現(xiàn)在計算機內(nèi)部工作電壓非常低，這樣的電壓波動，很可能在瞬間擊毀電子原件，導(dǎo)致控制系統(tǒng)癱瘓。

針對自動化控制系統(tǒng)中存在的各種干擾，我們通過研究實踐找到了相應(yīng)的解決方法。經(jīng)過安裝調(diào)試和維護中處理具體的干擾問題，我們將干擾分為以上兩個部分來闡釋，并提出了現(xiàn)場行之有效的措施。但是現(xiàn)場總是千變?nèi)f化的，具體的問題需要具體分析，本文所述的內(nèi)容，應(yīng)對于自動化控制系統(tǒng)的調(diào)試維護有著一定的借鑒。