工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的干擾及預(yù)防措施

周有為

摘 要：自動(dòng)化控制系統(tǒng)在當(dāng)前國內(nèi)工業(yè)現(xiàn)代建設(shè)過程中發(fā)揮著非常重要的作用，同時(shí)其自動(dòng)化程度、控制系統(tǒng)自身的安全可靠性，關(guān)系著企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)其穩(wěn)定抗干擾也關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和效率。文章結(jié)合大量的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析了工業(yè)自動(dòng)化控制干擾源，并在此基礎(chǔ)上提出了有效的抗干擾措施，從而提高自動(dòng)化控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中的可靠性。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化控制系統(tǒng)；干擾源；措施

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的控制技術(shù)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中，大大的降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工業(yè)生產(chǎn)效率，使得工業(yè)發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步。為了確保整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠，一方面要求自動(dòng)化控制系統(tǒng)使用的硬件設(shè)備抗干擾能力非常的強(qiáng)，另一方面，在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)、建設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)給予高度重視，同時(shí)盡量采取有效策略來完善和改進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化控制環(huán)境、強(qiáng)化自動(dòng)化控制系統(tǒng)自身的抗干擾能力。文章總結(jié)作者多年進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，列舉了部分可能干擾工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的相關(guān)干擾因素、提升自動(dòng)化抗干擾能力的有效措施和方法。

目前來看，實(shí)踐中常見的提升工業(yè)自動(dòng)化控制抗干擾能力的方法表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面、干擾源抑制措施、切斷或者衰減干擾耦合途徑方法、軟件抗干擾措施。

1 干擾源抑制

實(shí)踐中，就自動(dòng)化控制系統(tǒng)而言，電磁干擾源包括供電電源、斷開感性負(fù)載脈沖以及整流變頻裝置運(yùn)行中的高頻干擾等，具體分析如下。

1.1 供電電源干擾

由于電源的引入，會(huì)產(chǎn)生一定的干擾，這在很大程度上會(huì)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響；在工程調(diào)試中過程中，建議更換和使用帶有隔離變壓器的相關(guān)控制電源。該系統(tǒng)一般使用AC 220V電源供電，電網(wǎng)電壓波動(dòng)及工頻干擾都可能會(huì)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠工作產(chǎn)生影響，因此必須盡量提高自動(dòng)化控制系統(tǒng)電源質(zhì)量。在工程應(yīng)用中，提高供電電源質(zhì)量和抑制供電電源干擾的措施有：

1.1.1 UPS電源應(yīng)用

不間斷供電電源供電過程中，可有效提高整個(gè)供電系統(tǒng)的安全性、可靠性。UPS本身具有非常強(qiáng)的干擾性、隔離性，因此是一種較為理想的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1.1.2 具有隔離性能的開關(guān)電源應(yīng)用

對(duì)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)而言，其接口電源大多數(shù)都是DC24V，AC-DC開關(guān)的質(zhì)量直接影響著自動(dòng)化系統(tǒng)工作的可靠性。

1.2 將感性負(fù)載脈沖干擾斷開

1.2.1 對(duì)于繼電器輸出型PLC控制電感負(fù)載而言，其負(fù)載電源通常是直流電，可在負(fù)載兩端位置并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。在此過程中，還可采用RC串聯(lián)支路、電阻以及二極管加RC等方法，對(duì)噪聲進(jìn)行有效的抑制；實(shí)踐中，如果負(fù)載電源本身是交流電，則建議在負(fù)載兩端位置并聯(lián)RC串聯(lián)支路、可變電阻、壓敏電阻以及硒整流片或者對(duì)接式穩(wěn)壓管。

1.2.2 對(duì)于晶體管輸出型PLC控制感性負(fù)載而言，建議在負(fù)載兩端位置，并聯(lián)續(xù)流二極管、二極管加穩(wěn)壓管等方法，對(duì)負(fù)載斷開脈沖干擾進(jìn)行有效的抑制。

1.3 變頻裝置產(chǎn)生的高頻干擾

在工業(yè)控制中大量使用變頻裝置對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)速控制，變頻裝置在其工作中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，這在很大程度上會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形出現(xiàn)嚴(yán)重的畸形或突變，嚴(yán)重威脅整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行。針對(duì)這一問題，實(shí)踐中主要抑制措施有：

1.3.1 設(shè)置線路電抗器

在變頻裝置電源輸入側(cè)接入進(jìn)線電抗器，在輸出側(cè)接入出線電抗器。設(shè)置進(jìn)線電抗器，可以抑制整流變頻裝置對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)產(chǎn)生一定的影響。

1.3.2 變頻裝置電纜的選擇和接線

盡量采用變頻屏蔽電纜，并且注意電纜屏蔽芯和屏蔽網(wǎng)與變頻器的正確連接，這樣可以大大的減少變頻器對(duì)外界的干擾。

目前大多控制系統(tǒng)中，變頻器都采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制方式，因此防止變頻器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的干擾非常重要，否則將干擾整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線的正常通信。

1.4 靜電放電抗干擾

對(duì)于靜電放電噪聲而言，其屬于脈沖干擾，雖然其能量非常的小，但是其寬度相對(duì)較窄，而且瞬間產(chǎn)生的能量密度非常的大，可能會(huì)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，比如引發(fā)誤操作。針對(duì)這一問題，可采取的主要抑制措施有：提高電子設(shè)備表面的絕緣能力、盡量縮短信號(hào)線、加粗設(shè)備之間的接地線、高導(dǎo)磁材料覆蓋整個(gè)信號(hào)回路。

2 干擾耦合途徑切斷[1]

2.1 公共阻抗耦合抑制策略

導(dǎo)線阻抗以耦合阻抗為主，其大小和系統(tǒng)中的導(dǎo)線鋪設(shè)之間存在著非常密切的關(guān)系，而且該系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)過程中，需充分考慮待相關(guān)的有效抗干擾方法。（1）最大限度地縮短公共阻抗導(dǎo)線長度，通過減小線路間距、直線布線方法，來有效的抑制公共阻抗耦合；（2）通過增大導(dǎo)線導(dǎo)體截面、最大限度地減少接觸電阻數(shù)值的方面，來有效減小導(dǎo)線自身的電阻數(shù)值；（3）接地系統(tǒng)應(yīng)用。接地系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)工作的可靠性至關(guān)重要。自動(dòng)化控制系統(tǒng)接地通常都要與保護(hù)接地分開，有效防范不同接地點(diǎn)之間的地電位差，避免形成地環(huán)路電流。比如，電纜屏蔽層需一點(diǎn)接地，若電纜屏蔽層存在A、B端接地的現(xiàn)象，則必然會(huì)產(chǎn)生一定的地電位差。在有雷擊現(xiàn)象時(shí)，地線上的電流會(huì)變得非常的大；（4）采用繼電器、光電耦合器、變壓器等電隔離器件實(shí)現(xiàn)電位隔離；（5）4-20mA模擬量輸入信號(hào)的負(fù)端接地，可有效抑制共模干擾現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 電容性耦合抑制策略

實(shí)踐中，為了有效抑制、或者避免電容性干擾問題的發(fā)生，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，干擾源電氣參數(shù)一定要使電壓變化幅度、速率減小，而且被干擾系統(tǒng)還必須滿足設(shè)計(jì)要求，將其設(shè)計(jì)成一個(gè)低電阻系統(tǒng)；同時(shí)，要求其結(jié)構(gòu)盡可能的緊促一些，尤其在空間上一定要相互隔離開來。

2.2.1 為有效減小耦合電容數(shù)值，電纜敷設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)確保導(dǎo)線盡可能的短一些，尤其要避免出現(xiàn)平行走線現(xiàn)象，弱電線、強(qiáng)電線應(yīng)當(dāng)分別敷設(shè)于不同橋架、線槽之中，并盡量增加他們的距離。

2.2.2 以電氣屏蔽為受到，抑制干擾源的干擾電場(chǎng)的作用。

2.2.3 將耦合電容彼此電氣對(duì)稱平衡地連接，可以抵消耦合的干擾作用。

2.3 電感性干擾防范策略

主要有三種方法：

（1）減小系統(tǒng)構(gòu)件建的互感。在此過程中，其可采用的主要方法是減小系統(tǒng)耦合部分之間的距離、盡可能的減小導(dǎo)線長度、避免出現(xiàn)平行走線現(xiàn)象。

（2）對(duì)干擾源進(jìn)行磁屏蔽設(shè)計(jì)，以此對(duì)干擾電場(chǎng)進(jìn)行有效抑制。在此過程中，主要存在著靜態(tài)磁、渦流兩種屏蔽方式。其中，靜態(tài)磁屏蔽因低頻段，而導(dǎo)致屏蔽對(duì)象盡可能為密閉性的鐵磁性外殼罩，而且其渦流屏蔽應(yīng)處于高頻位段，在此過程中，其利用的是非磁性物質(zhì)渦流效應(yīng)，并且對(duì)交變磁場(chǎng)產(chǎn)生一定的屏蔽作用。

2.4 抑制波阻抗耦合的干擾措施

波阻抗耦合分為傳導(dǎo)波耦合和輻射波耦合兩種形式。對(duì)于傳導(dǎo)波耦合，可通過強(qiáng)電線與弱電線敷設(shè)，使用雙絞線或同軸電纜等措施加以抑制；對(duì)于輻射波干擾，通常采用在干擾源和干擾對(duì)象間插入金屬屏蔽物的方式來抑制。

2.5 設(shè)備選型

在選擇設(shè)備時(shí)，盡量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(shù)、帶隔離功能的PLC系統(tǒng)。

2.6 電纜選擇及敷設(shè)

電纜的選擇應(yīng)根據(jù)傳輸信號(hào)類型選擇不同類型的電纜。如變頻裝置饋電電纜應(yīng)選擇變頻屏蔽電纜，4～20mA模擬信號(hào)應(yīng)選擇屏蔽控制電纜，增量式編碼器電纜應(yīng)選擇雙絞分屏加總屏電纜等等。

電纜敷設(shè)應(yīng)根據(jù)電壓等級(jí)分層敷設(shè)，不同電纜層之間的間距需嚴(yán)格滿足電纜敷設(shè)規(guī)范，嚴(yán)禁用同一電纜的不同芯線同時(shí)傳送動(dòng)力電源和弱電信號(hào)，避免信號(hào)線與動(dòng)力電纜靠近平行敷設(shè)，以減少電磁干擾。

3 軟件抗干擾措施

所謂軟件抗干擾措施就是通過程序設(shè)計(jì)手段來排除電磁干擾可能造成的自動(dòng)化控制系統(tǒng)誤動(dòng)作。這里列舉幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子加以說明。

3.1 觸點(diǎn)抖動(dòng)的消除

對(duì)于外部輸入設(shè)備可能產(chǎn)生的觸點(diǎn)抖動(dòng)，如按鈕、繼電器、傳感器等的輸入信號(hào)，可通過延時(shí)加以消除，對(duì)一些可持續(xù)一定時(shí)間的脈沖干擾，也可以采取這種辦法加以消除。

在選擇時(shí)間設(shè)定值時(shí)，應(yīng)使其大于觸點(diǎn)抖動(dòng)間隔時(shí)間或干擾脈沖持續(xù)時(shí)間。

3.2 可測(cè)干擾信號(hào)的抑制[2]

對(duì)于可通過一定辦法測(cè)出的短時(shí)干擾信號(hào)，如大電感負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)，可通過檢測(cè)設(shè)備將干擾信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間由接點(diǎn)的方式通知控制系統(tǒng)，然后由控制系統(tǒng)的JMP/JME指令屏蔽輸入信號(hào)，即有干擾信號(hào)作用這段時(shí)間，不采集輸入信號(hào)。

3.3 漏掃描檢測(cè)

在編制應(yīng)用程序時(shí)，可將程序分成若干段，在每段程序的尾部加一個(gè)段檢查節(jié)點(diǎn)。每次掃描后，若是各段程序都已經(jīng)被有效地掃描過，則此時(shí)應(yīng)當(dāng)給出正確信號(hào)，然后繼續(xù)執(zhí)行下一道程序和指令；如果有某段漏掃描，則發(fā)出警告信號(hào)并進(jìn)行預(yù)先規(guī)定的處理。

3.4 互鎖診斷

繼電器、接觸器等動(dòng)合、動(dòng)斷觸點(diǎn)，不論其動(dòng)作與否，總是呈互鎖狀態(tài)，即一對(duì)閉合，一對(duì)斷開，若同時(shí)閉合或斷開則為故障狀態(tài)，必須加以妥善處理。

在進(jìn)行故障診斷時(shí)，對(duì)可以預(yù)測(cè)的干擾信號(hào)，總可以找到解決的辦法。但有些干擾信號(hào)造成的故障則很難事先預(yù)知，這就要求在軟件及硬件設(shè)計(jì)時(shí)，全面考慮系統(tǒng)的抗干擾措施。同時(shí)還要考慮到，軟件控制的控制系統(tǒng)中，由于軟件與硬件的相互作用，有些故障很難判斷出到底是硬件引起的還是軟件引起的，也就是說，在利用軟件容錯(cuò)和冗余技術(shù)進(jìn)行抗干擾時(shí)，軟件和硬件故障必須結(jié)合起來考慮。有些硬件故障可以通過軟件發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)采取修復(fù)及補(bǔ)救措施。有時(shí)有用硬件來監(jiān)視軟件工作的準(zhǔn)備性。把控制系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)合起來處理電磁干擾問題，是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)越性之一。

總之，要設(shè)計(jì)一個(gè)在所有可能的條件下都能可靠工作的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，必須充分考慮控制系統(tǒng)的軟件和硬件方法，不僅要滿足系統(tǒng)的工藝要求，還要適應(yīng)系統(tǒng)的環(huán)境要求，尤其是電磁環(huán)境的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]趙清.PLC控制系統(tǒng)的硬件抗干擾措施[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：143-150.

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