電氣自動化工控系統信號干擾及解決方案

　　隨著科學技術的發展，DCS/PLC等自動化設備在工業控制中的應用越來越廣泛。這類控制系統的可靠性直接影響到工業企業的安全生產和經濟運行，系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。

　　自動化系統中所使用的各種類型DCS/PLC等自動化設備，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產現場和各種電機設備上，它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中。要提高這類控制系統可靠性，必須消除各種干擾才能有效保證系統可靠運行。

　　PLC/DCS控制系統中電磁干擾的主要來源

　　1.來自空間的輻射干擾空間的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜．若PLC/DCS系統置于射頻場內，就會收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑；一是直接對DCS/PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾；二是對DCS/PLC通信網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾．輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小，特別是頻率有關，一般通過設置屏蔽電纜和系統局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護．

　　2.來自系統外引線的傳導干擾

　　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現場較嚴重．

　　A.來自電源的干擾

　　實踐證明，因電源引入的干擾造成PLC/DCS控制系統故障的情況很多。PLC/DCS系統的正常供電電源均由電網供電．由于電網覆蓋范圍廣，將受到所有空間電磁干擾.而在線路上感應電壓和電流,尤其是電網內部的變化，開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流轉動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊等，都通過輸電線路傳到電源邊．系統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，由于分布參數特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的．

　　B.來自信號線引入的干擾

　　與PLC/DCS控制系統連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信號之外，總會有外部干擾信號侵入．此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾，這往往被忽略；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．由傳輸信號引入的干擾會引起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，還會導致信號間互相干擾，引起共地系統總線回流，造成邏輯數據變化、誤動和死機．PLC/DCS控制系統因信號引入干擾造成I/O模件損壞數相當嚴重，由此引起系統故障的情況也很多．

　　3.來自接地系統混亂時的干擾

　　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出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC/DCS系統將無法正常工作．DCS/PLC控制系統的地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等．接地系統混亂對DCS/PLC系統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，引起地環路電流，影響系統正常工作．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，當發生異常狀態加雷擊時，地線電流會更大．

　　此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內有會出現感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的輻合，干擾信號回路．若系統地與其它接地處理混亂，所產生的地環流可能在地線上產生不等電位分布，影響PLC內邏輯電路和模擬電路的正常工作．PLC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/PLC的邏輯運算和數據存儲，造成數據混亂、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．

　　4.來自DCS/PLC系統內部的干擾

　　主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，如邏輯電路互相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/PLC制造廠對系統內部進行電磁兼容設計的內容，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踐或經過考驗的系統。

　　常見的干擾現象及判斷方法

　　現象：

　　A、系統發指令時，電機無規則地轉動；

　　B、信號等于零時，數字顯示表數值亂跳;

　　C、傳感器工作時，DCS/PLC采集過來的信號與實際參數所對應的信號值不吻合，且誤差值是隨機的、無規律的;

　　D、與交流伺服系統共用同一電源（如顯示器等）工作不正常．

　　判斷步驟如下：

　　A、用萬用表AC檔檢測接收端口，如受干擾會產生交流信號．如果這個信號不大，則對信號采集影響很小，幾乎沒有．如果這個交流信號大，則會影響數值，需想辦法解決。

　　B、看口端是否接地？如接地是否存在懸空或接地不良情況．用萬用表測口端和地（可以是系統地，也可以是信號地）之間的電壓差。若存在交流電壓，則表示存在干擾，若沒有交流電壓，有直流電壓差．這個電壓差大，影響系統；差值小，則影響小，可忽略不計．

　　C、再看屏蔽層是否接地，是單點接地還是雙點接地？一般為單點接地．

　　更好、更簡單解決系統干擾方法

　　(1)、強電干擾：

　　儀表信號、DCS/PLC控制信號都為弱電，易受強電干擾．所以要求在柜外布線時（在電纜溝、電纜橋架、穿管等敷設方式）,通訊線、信號線、控制線等弱電信號遠離強電，間距不得少于20CM．電纜溝多層時，要求弱電電纜敷設在強電電纜下方．

　　(2)柜內干擾：

　　DCS/PLC系統不能和高壓電器安裝在同一個開關拒內，PLC的輸出采用中間繼電器實現對外部開關量信號的隔離．如果現場條件，輸入信號不能和強電電纜有效的隔離，可用小型繼電器來隔離輸入端的開關量信號．當然DCS/PLC來自控制柜內的輸入信號和距控制柜不遠的輸入信號一般沒有必要用繼電器隔離．

　　控制柜內的有很多信號線．如走線混亂，會引起設備誤動作，檢查起來卻相當麻煩．所以在控制柜設計時應考慮到這種情況，設備分層擺放，走線清晰．成套時，將PLC的舊線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內，分開捆扎交流線、直流線，如條件允許，分槽走線好，并使其有盡可能大的空間距離，力求將干擾降到低限度．不同的信號線好不用同一個插接件轉接，如必須用同一個插接件，要用備用端子或地線端子將它們分隔開，以減少相互干擾．

　　PLC不能和高壓電器安裝在同一個開關柜內，在柜內PLC應遠離動力線（二者之間距離應大于200mm)．與PLC裝在同一個柜子內的電感性負載，如繼電器、接觸器的線圈，應并聯RC消弧電路。

　　(3)信號線的抗干擾

　　信號線承擔著檢測信號和控制信號的傳輸任務，傳輸質量直接影響到整個控制系統的準確性、穩定性和可靠性．對信號線的干擾主要是來自空間的電磁輻射，有差模干擾和共模干擾兩種．

　　差模干擾是指疊加在測量信號線上的干擾信號，這種干擾大多是頻率較高的交變信號，其來源一般是藕合干擾．抑制常態干擾的方法有：

　　A、在輸入回路接RC濾波器或雙T濾波器，

　　B、盡量采用雙積分式A/D轉換器，由于這種積分器工作的特點，具有一定的消除高頻干擾的作用：

　　C、將電壓信號轉換成電流信號再傳輸．

　　共模干擾是指信號線上共有的干擾信號，一般是由被測信號的接地端與控制系統的接地端存在一定的電位差引起的，這種干擾在兩條信號線上的周期、幅值基本相等情況下，采用上面的方法無法消除或抑制．方法如下：

　　A、采用雙差分輸入的差動放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比；

　　B、輸入線采用絞合線，絞合線能降低共模干擾，其感應互相抵消，

　　C、采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾；

　　D、使用屏蔽線，并單邊接地；

　　為避免信號失真，對于較長距離傳輸的信號要注意阻抗匹配。

　　開關量信號（如按鈕、限位開關、接近開關等提供的信號）一般對電纜無特殊要求，可選用一般的電纜，信號傳輸距離遠時，可選用屏蔽電纜．

　　模擬信號和高速信號線（如脈沖傳感器、計數碼盤等提供的信號）應選擇屏蔽電纜．

　　通訊電纜要求可靠性高，有的通信電纜的信號頻率很高，一般應選擇PLC生產廠家提供的專用電纜，在要求不高或信號頻率較低時，也可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜，但品質要好．

　　隨著自動化設備在工業控制中廣泛的應用，干擾問題越來越突出。在自動控制中如何能有效的消除和抵抗干擾也越來越受到重視。本文只對自動化控制系統中常見的干擾問題進行了簡單的分析，希望能對各公司的自動化生產中出現的干擾問題給予一定的幫助。