自動(dòng)化控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的常見干擾及處理措施

赫曉波 李彬

摘要：自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性雖然很高，但整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)參數(shù)突變、設(shè)備失控、死機(jī)等意外問題。對于屢次發(fā)生的故障和處理總結(jié)表明干擾是引起故障的主要原因。系統(tǒng)的抗干擾能力關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，將直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文重點(diǎn)探討自動(dòng)化控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的常見干擾及處理措施。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化控制；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；干擾；處理措施

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（以下稱PLC）是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制的設(shè)備。盡管其制造廠采取了一些措施，使得它的可靠性較高，但還有許多外部因素也會(huì)使它產(chǎn)生干擾，造成程序誤變或運(yùn)算錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生誤輸入并引起誤輸出，這將會(huì)造成設(shè)備的失控和誤動(dòng)作。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家用提高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面，要求工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中高度重視，多方配合才能有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。本文就此問題提出一些抗干擾的措施[1]。

一、自動(dòng)化控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的常見干擾分析

控制系統(tǒng)干擾因素的分析

（一）來自系統(tǒng)外部引線的干擾

這種干擾主要由于電源、信號線路等引起的干擾，通常稱為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.由電源引起的干擾

控制系統(tǒng)一般由工業(yè)電網(wǎng)供電，工業(yè)系統(tǒng)中的某些大型設(shè)備的啟動(dòng)、停機(jī)等，可能引起電源過壓、欠壓、浪涌、下陷及產(chǎn)生尖峰等干擾，這些電壓噪聲干擾均會(huì)通過電源內(nèi)阻耦合到自動(dòng)化系統(tǒng)的電路，給系統(tǒng)造成極大的危害。

2.由于信號線路引入的干擾

此干擾主要有兩種信息途徑：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，這往往容易被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾，這種干擾往往非常嚴(yán)重。由信號線引入的干擾會(huì)引起 I / O 信號工作異常和測量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)可能引起元器件損傷。對于隔離性能較差的系統(tǒng)，還可能導(dǎo)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(dòng)和死機(jī)。此種干擾經(jīng)常發(fā)生于信號傳輸距離長的控制系統(tǒng)上[2]。

3.由于接地系統(tǒng)混亂引起的干擾

接地不合理或是錯(cuò)誤接地反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號，使自動(dòng)化系統(tǒng)無法正常工作。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等，如果接地系統(tǒng)混亂，對自動(dòng)化系統(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。

（二）由于自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部引起的干擾

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、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。

（三）來自空間輻射的干擾

電氣設(shè)備、電子設(shè)備的高密度應(yīng)用以及由電力網(wǎng)絡(luò)、雷電、無線電廣播和雷達(dá)等產(chǎn)生的空間輻射電磁場，其主要以電磁感應(yīng)的方式直接對自動(dòng)化內(nèi)部和通信網(wǎng)絡(luò)的通信線路產(chǎn)生干擾。

二、自動(dòng)化控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)干擾的處理措施

根據(jù)對自動(dòng)化系統(tǒng)干擾的分析，可以制訂以下幾個(gè)方面的措施來減少電壓擾動(dòng)。

1.為了保障自動(dòng)化系統(tǒng)正常運(yùn)行，應(yīng)盡量少選用產(chǎn)生電壓擾動(dòng)的類型。主要措施是督促生產(chǎn)廠家提高設(shè)備功能模塊的性能品質(zhì)，特別是對元器件的老化篩選嚴(yán)格把關(guān)，保證其性能的穩(wěn)定性[3]。

2.自動(dòng)化系統(tǒng)和干擾設(shè)備應(yīng)分開電源線路供電。因?yàn)榇蠊β孰姍C(jī)、大容量電容器組在起動(dòng)和通電時(shí)引起電壓降低；大功率整流設(shè)備、開關(guān)模式電源產(chǎn)生大量諧波；大功率電焊機(jī)等引起電源電壓的劇烈波動(dòng)。這些干擾設(shè)備產(chǎn)生的電壓擾動(dòng)通過電源線路的阻抗耦合將干擾自動(dòng)化系統(tǒng)的正常工作。將220V 交流供電改為220V 直流供電方式，退出UPS，改為由變電站直流小母線直接向RTU 供電。

3.自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離產(chǎn)生電磁場的設(shè)備。因?yàn)樽儔浩?、大功率電機(jī)、大電流的配電線路都能在其附近產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場，強(qiáng)大的空間電磁場將直接干擾自動(dòng)化系統(tǒng)的正常工作。在采集回路中串接光電隔離器，提高工作電壓等級。

4.自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備電源線路上切斷電源的保護(hù)電器動(dòng)作應(yīng)有延時(shí)。保護(hù)電器稍帶一些延時(shí)，可在不影響其保護(hù)功能的前提下躲過雷電脈沖，避免不應(yīng)有的間斷供電。在軟件中增加延時(shí)模塊，提高偽甄別能力。（1）自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備單相電源線路上應(yīng)限制所接自動(dòng)化設(shè)備的臺數(shù)。（2）自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備電源線和信號線宜在同一通道內(nèi)布線，避免產(chǎn)生涌壓的大包繞環(huán)。兩套自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)備電源線和信號線未布置在同一通道內(nèi)，形成了一大面積的包繞環(huán)，當(dāng)空間產(chǎn)生高頻變電磁場時(shí)，此包繞環(huán)內(nèi)將感應(yīng)產(chǎn)生幅值甚大的涌壓，將干擾甚至損壞自動(dòng)化系統(tǒng)。（3）自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備配線時(shí)應(yīng)盡可能避免電源線對信號線的干擾。

5.電源線和信號線宜采用屏蔽電纜、穿鋼管電線或雙絞線。當(dāng)電源線靠近信號線時(shí)，產(chǎn)生的電磁場將干擾信號線，為此信號線應(yīng)加屏蔽并在兩端接地。兩者交叉時(shí)應(yīng)作直角交叉以減少電磁場的感應(yīng)。鋼管有屏蔽作用，PVC 管無屏蔽作用；

6.單芯電線組成的電源回路應(yīng)以金屬管等外護(hù)物作屏蔽。電源線路采用電纜，因電纜線芯系對稱布置，線芯通過電流產(chǎn)生的電磁場可互相抵消。電源線路如采用單芯電線，施工中難以做到線芯的對稱布置，回路周圍將產(chǎn)生電磁場。為此由單芯電線組成的電源回路應(yīng)套以金屬管槽作屏蔽。

7.自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)備電源線和信號線應(yīng)遠(yuǎn)離建筑物防雷裝置的引下線至少2m，否則應(yīng)加以屏蔽。裝設(shè)防雷裝置的建筑物遭受雷擊時(shí)，防雷引下線將瞬間通過幅值數(shù)千安計(jì)的波形陡度很大的雷電沖擊電流，其周圍空間將產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場，自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)備電源線、信號線如靠近引下線將感應(yīng)產(chǎn)生涌壓，輕則干擾重則擊穿損壞設(shè)備。

8.裝設(shè)防雷擊、防干擾容性隔離變壓器，可綜合解決防雷擊、防電磁干擾、防諧波干擾、防地電位升高問題。

9.自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)備電源線路應(yīng)注意保證線芯的連接質(zhì)量。大量的電壓擾動(dòng)是在電氣裝置內(nèi)部產(chǎn)生的，因此用電設(shè)備應(yīng)盡量少選用產(chǎn)生電壓擾動(dòng)的類型。如采用12 脈沖的橋式整流器代替6 脈沖的橋式整流器，節(jié)能型的熒光燈電感鎮(zhèn)流器代替諧波含量較大的電子鎮(zhèn)流器[4]。

此外，外部配線之間存在著互感和分布電容，進(jìn)行信號傳送時(shí)會(huì)產(chǎn)生竄擾。為了減少外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出信號應(yīng)分別使用各自的電纜，集成電路或晶體管設(shè)備的輸入、輸出信號線要使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側(cè)要懸空，而控制器側(cè)要接地。配線時(shí)在 30 米以下的短距離，直流和較輸入、輸出信號線最好不要使用同一電纜管，如果要走同一配線管時(shí)，輸入信號要使用屏蔽電纜。30-300米距離的配線時(shí)，直流和交流輸出、輸入信號 線要分別使用各自電纜，并且輸入信號線一定要用屏蔽線。對于 300 米以上長距離配線時(shí)，則可用中間繼電器轉(zhuǎn)換信號，或使用遠(yuǎn)程I/O通道。對于控制器的接地線要與電源線或動(dòng)力線分開，輸入、輸出信號線要與高電壓、大電流的動(dòng)力線分開配線。

結(jié)論

在實(shí)際應(yīng)用中可以同時(shí)利用硬件和軟件等抗干擾技術(shù)，綜合考慮各方面的因素，合理有效的抑制干擾，采取具體分析，讓自動(dòng)化控制系統(tǒng)滿足要求，達(dá)到穩(wěn)定可靠的運(yùn)行狀態(tài)，保證工業(yè)設(shè)備安全高效運(yùn)行。干擾的分布參數(shù)是很復(fù)雜的，因此在抗干擾時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拇胧纫紤]效果，又要考慮價(jià)格因素，還要因現(xiàn)場情況而定。采用的措施只要能解決問題即可，往往過多的抗干擾措施有可能會(huì)產(chǎn)生額外的干擾，要具體情況具體解決，隨機(jī)應(yīng)變。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 崔秀蘭. 前饋控制與反饋控制在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家，2013，18：75.

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[4] 吳一鳴. 自動(dòng)化控制系統(tǒng)抗電磁源干擾的措施探討[J]. 無線互聯(lián)科技，2013，09：80.