關(guān)于DCS控制系統(tǒng)的抗干擾問題分析

張澤平

【摘要】本文對DCS系統(tǒng)抗干擾問題進行了分析和總結(jié)

【關(guān)鍵詞】DCS系統(tǒng)；抗干擾；措施

DCS系統(tǒng)因其具備復(fù)雜的模擬回路調(diào)節(jié)能力、完善的現(xiàn)場總線技術(shù)高速邏輯、順序控制性能、友好的人機界面及方便的工程軟件和極好的擴展性，已應(yīng)用于工業(yè)控制中的方方面面，控制系統(tǒng)的運行可靠性將直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的安全平穩(wěn)運行，甚至主宰了生產(chǎn)過程的命脈。系統(tǒng)的抗干擾能力既關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵，也是保護DCS系統(tǒng)自身安全的需要。其中DCS系統(tǒng)接地是延長系統(tǒng)硬件使用壽命和提高系統(tǒng)抗干擾的有效措施。一套完整的DCS系統(tǒng)設(shè)計，接地部分是設(shè)計中的一大難題，很多的DCS系統(tǒng)接地因各種因素造成的后果不堪設(shè)想。系統(tǒng)控制器根據(jù)實際情況，安裝方式各有不同，有集中安裝在控制室的，有安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的，加上包含在系統(tǒng)中的現(xiàn)場一次檢測設(shè)備以及遠距離通訊電纜，它們大多處在強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高系統(tǒng)運行的可靠性，提高系統(tǒng)抗干擾能力，一方面要求設(shè)備自身的抗干擾能力；另一主要方面，就是在工程設(shè)計、安裝施工和使用維護中引起高度重視，把接地抗干擾當(dāng)成一種首先考慮，并且必須做好的措施，才能有效解決問題。

一、干擾來源及對系統(tǒng)的干擾

（一）來自空間的電磁輻射干擾。系統(tǒng)成網(wǎng)絡(luò)狀延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場的各個角落，其間不可避免的會受到空間電磁輻射的干擾?？臻g的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的運行過程、雷電、無線電信號傳播等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。其影響主要通過兩條路徑：一是直接對DCS板卡內(nèi)部電路的輻射，干擾電路程序產(chǎn)生誤動作；二是對通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)產(chǎn)生干擾信號。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備位置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小，特別是與電磁頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置接地、屏蔽和隔離進行保護。

（二）傳導(dǎo)干擾。主要通過供電電源和信號線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較嚴(yán)重。

（1）來自電源的干擾。DCS系統(tǒng)的正常供電一般設(shè)置雙路冗余供電，一路由電網(wǎng)經(jīng)不間斷UPS凈化電源供電，一路由電網(wǎng)直接供電。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產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化、開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流諧波等，都通過輸電線路傳到電源源邊，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對的隔離，消除供電干擾是不可能的。（2）來自輸入、輸出信號線路引入的干擾。與DCS控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線路，覆蓋范圍廣泛，環(huán)境復(fù)雜。其除了傳輸有效的各類信息之外，也會將外部各類干擾信號導(dǎo)入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過傳感器供電電源串入的電網(wǎng)干擾；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，這是很嚴(yán)重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量準(zhǔn)確度降低，嚴(yán)重時將損壞整個板卡。甚至還將導(dǎo)致信號間互相干擾，通過共地系統(tǒng)，形成回流，造成控制程序紊亂和系統(tǒng)誤動作。

（三）系統(tǒng)互擾。

電子設(shè)備既是干擾的受害者，也是產(chǎn)生干擾的根源之一。

（1）來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾。接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性（EMC）的最有效手段。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)送干擾信號；而錯誤的接地，因各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，可能構(gòu)成閉合環(huán)路，產(chǎn)生地環(huán)路電流，通過各種形式的耦合，使各系統(tǒng)之間或一個系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)內(nèi)電路的正常工作；影響DCS系統(tǒng)的邏輯運算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序紊亂或系統(tǒng)發(fā)出錯誤動作指令。這樣不但不能消除干擾，反而會引入嚴(yán)重的干擾信號，使DCS系統(tǒng)無法正常工作。（2）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。這屬于制造廠對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容。

二、系統(tǒng)抗干擾的措施

DCS系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程。要抑制或遠離干擾源；切斷或衰減干擾的傳播途徑；提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這就是抑制和消除干擾的基本原則。

（一）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，電網(wǎng)干擾串入系統(tǒng)主要通過DCS系統(tǒng)的供電電源、傳感器供電電源和與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。對于DCS系統(tǒng)供電的電源、傳感器供電電源和DCS系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表供電電源，一般都采用隔離性能較好的電源。

（二）電纜的選擇及敷設(shè)。信號電纜盡量選擇屏蔽電纜，不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應(yīng)按傳輸信號種類分層敖設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)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(shè)，以減少電磁干擾。并合理接地，從而降低動力線產(chǎn)生的電磁干擾。

（三）軟件抗干擾措施。由于電磁干擾的復(fù)雜性，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，硬件抗干擾措施并不能將各種干擾完全拒之門外。要根本消除干擾影響是不可能的。因此在系統(tǒng)的軟件設(shè)計和組態(tài)時，還應(yīng)在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。常用的一些措施如數(shù)字濾波、限幅和工頻整形采樣等，可有效消除外界干擾。

（四）硬件設(shè)備的抗干擾措施。（1）硬件抗干擾措施的目的是盡可能地切斷干擾進入控制系統(tǒng)?？刹捎眯盘栐诮尤胂到y(tǒng)前，在信號線與地間并接電容、線路上增加續(xù)流或分流器件等措施，以減少共模干擾和差模干擾。（2）盡量遠離避開大功率電氣設(shè)備，如必須經(jīng)過或一次設(shè)備安裝在其附近時，需要設(shè)置單獨的屏蔽層進行電磁隔離，或隔離與DCS有直接電氣連接的一次部件，或隔離電器設(shè)備，視情況而定。信號電纜宜采用雙屏蔽電纜，并合理接地。

（五）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系統(tǒng)抗干擾的重要措施之一。除了系統(tǒng)本身的接地，還牽涉到與系統(tǒng)有直接或間接電器連接的設(shè)備的接地、消除機房靜電的接地、機房本身屏蔽的接地等。

三、結(jié)束語

DCS控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復(fù)雜的問題，因此在抗干擾設(shè)計中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，具體情況具體分析，根據(jù)實際對癥下藥，才能合理有效地抑制抗干擾，才能夠使DCS控制系統(tǒng)正常工作。