自动化控制系统抗干扰方法探讨

霍小刚

【摘 要】 本文主要针对干扰的理论概述、工业控制自动化系统干扰源的种类以及自动化控制系统抗干扰方法进行简要分析，仅供参考。

【关键词】 自动化控制系统；抗干扰；方法

一、干扰的理论概述

1、定义

干扰的概念是在体系正常作业过程中，由体系内部或外部发生了影响其正常作业的要素。在自动化控制体系中，干扰即是使体系传输信号发射发生改变的要素然后使信号数據在承受后无法体现实在的状况，然后致使呈现过错的操作，容易发生严重的结果。

2、干扰形成要素

干扰由三有些构成干扰源、干扰传达路径和干扰的接受体。干扰源是指能够发生干扰信号的设备，这些设备自身能够发射一些干扰信号肠口如无绳电话、变压器等设备。干扰传达路径是在干扰信号发生后通过必定的前言才能得以传达。例如干扰信号能够通过空气传达也能够通过导线传达。干扰的接受体是指设备的某个对干扰信号较为灵敏的部位在接受了信号后会对设备发生必定的影响。

二、工业控制自动化系统干扰源的种类

通过以上对干扰理论的概述可以看出干扰是由三部分构成的只要将其中的一个消除，就可以达到抗干扰的目的。因此，以下对工业控制自动化系统的干扰源种类进行分析，从源头上对干扰进行控制。

1、电网干扰

全部工业体系的正常运转离不开电网，最理想化的电网运转应该是十分安稳的不过在真正运转过程中，电网中一些区域设备的运转和中止、电网负载发生了升高和下降、一些关键元件和开关的改变都会使电网运转发生一定的不安稳改变，从而发生电网的干扰。电网干扰会影响自动化体系的正常运转使程序遭到损坏，而因而形成的丢失往往是无穷的。

依据查阅文献资料得知一般每年有大概多半的工业操控自动化体系的问题是因为电网干扰形成的。所以电网干扰是一项十分重要的干扰源要对其予以充沛的注重，尤其在工业企业中存在施工行为时更要严格地操控施工对电网发生的干扰。

2、信号传输线干扰

工业操控自动化体系需求很多的传输线来履行信息搜集和设备操作在这些很多的信号传输线中，假如没有对信号传输线的安置予以注重将众多的信号传输线与电缆或电源线走同一个线路通道时十分容易对信号传输线发生干扰，从而使干扰信号进入到承受设备中使承受设备遭到干扰影响。

3、接地干扰

一般自动化控制系统的设备需求进行接地处理，以下降遭到电磁干扰的程度，而且可以削减对外宣布干扰信号。可是，在实践中自动化设备的接地线众多加果在接地过程中发作错误时，例如发生短路电流往往会经过接地线向设备中传输很多的干扰信号，从而使设备的运行遭到严峻的接地干扰，严峻影响自动化控制系统的运行。

4、辐射干扰

自然中自身存在很多的干扰源，例如太阳的电磁风暴、雷电等并且目前现代科技的传输手法很多顺口如电磁波、微波等传输方法无处不在也会有必定的干扰效果，另外在工业操控自动化设备相互之间也会发生辐射干扰。所以空间中存在很多的辐射通常会对自动化体系发生干扰影响，影响的程度与遭到的辐射强度和频率有关。

三、如何提高控制系统在工程应用时的抗干扰技术

电缆的静电屏蔽和电磁屏蔽在控制系统中线缆非常重要因为它在控制系统中最长，容易通过近场的耦合干扰控制系统，并且它还像一根拾取和辐射噪声的天线。所以用屏蔽来抑制线缆的静电感应和电磁感应是抗干扰的方法之一。

1、电容性耦合的抑制

静电屏蔽：当受感应导线的外层包上屏蔽层以后那么感应的噪声电压便作用在屏蔽层上，我们在为屏蔽层提供一个良好的接地那么屏蔽层上的电压为零所以受感应导体上的噪声电压也为零，所以有效的抑制了电场的耦合。所以我们在工业现场无论是电源电缆或是信号电缆都应采用屏蔽电缆。

2、电感性耦合的抑制

电感性耦合即为线路间磁场的相互作用。在这里我们主要谈谈采用电磁屏蔽，包括双绞电缆和同轴电缆的使用。

2.1对作为噪声源的导线施行电磁屏蔽

如果我们对一段导线增加屏蔽那么电流流过后，全部通过导体的屏蔽体返回到干扰源。由于流过屏蔽体上的电流产生磁通量，且与导体产生的磁通量大小相等方向相反，这样在屏蔽体的外面，不存在磁通量，既这段导线被屏蔽了。但是在低频时不宜两端接地。

2.2对作为信号线路施行电磁屏蔽

信号线路防外界磁场干扰的最好方法是减少接收环路的面积以减少干扰磁场对接收环路产生的磁通量密度。对于减少接收环路面积只有加屏蔽体两端接地才可以做到，才有电磁屏蔽作用，但是这种情况下电流的频率不宜太低。

2.3.双绞线的电磁屏蔽原理及应用

双绞线本身是一种电磁屏蔽形式。对作为噪声源的导线实施电磁屏蔽。图1是双绞线作为噪声源实施电磁屏蔽的原理图。当双绞线中有电流流过时在导线绞合所组成的很小的环路内产生相应的磁通。而在环路外由于两边导线流过的电流方向相反，产生的磁通方向相反从而大部分磁通被抵消。这种方式常用于供电线路上。

图1

对信号线实施电磁屏蔽。图2是双绞线信号线实施电磁屏蔽的原理图。当双绞线在噪声的磁通中每根导线均被感应出感应电流，其感应方向如图2所示。这样同一根导线在相邻两个环的两段上流过的感应电流大小相等方向相反，从而被抵消。所以在总的效果上，导线并没有产生感应电流。

图2

2.4同轴电缆和屏蔽双绞线。

同轴电缆是一种用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的范围内，具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于高频乃之超高频的频段。无论是屏蔽双绞线，或者同轴电缆，为了抑制电容性耦合，一般是单端接地，通常是在控制室侧接地。

四、控制系统的接地

从电气角度来看，大地具有导电性且有无限大的容电量，所以我们可以把大地作为一个等电位点或者等电位面。接地的作用有两点：保护人身和设备安全，如保护地、防雷地、防静电等。抑制干扰，如工作地、屏蔽地、模拟地、数字地等。下面我们来分析几个例子。

1、不屏蔽接地干线会带来干扰

现象：有DCS系统采用单独接地，但信号总是不稳定。

原因：经过现场考察发现，其接地干线长数十米，从楼顶沿外墙敷设到接地体，没有穿管屏蔽，过长的接地干线，如果没有屏蔽措施，接地干线也象是一根天线，可以接受大量的干扰信号，使控制系统无法稳定工作，乃至系统卡被烧毁。结论：接地干线应愈短愈好，必要时也应该采取屏蔽措施

2、和其它接地系统要保持一定距离

现象：某DCS采用单独接地，发现信号干扰很大。原因：DCS系统的单独接地体和原有的接地网相距不到5m。结论：若DCS采用单独接地，其接地体和电气接地网相距必须大于5m，和防雷接地体相距必须大于20m。

3、等电位接地也要考虑接地引入点的位置

现象：有DCS系统采用等电位接地，但信号中常常出现信号不规则的波形。原因：离DCS的接地引入点不到几米处有大功率电动机的接地点。结论：要保持和防雷地、大电流高电压设备的接地点有不小于10m的距离。

五、控制系统的雷电防护

雷电对控制系统侵害的途径：静电感应、电磁感应、反击、电磁场辐射等。

雷电电脉冲的基本防护措施：屏蔽：屏蔽分为电缆的屏蔽和控制室的屏蔽。

1、电缆的屏蔽

许多行业规范对屏蔽电缆的接地，原则上是一端接地另一端不接地。但是单端接地只能防静电感应抑制不了电磁感应所产生的干扰。所以延伸出了信号传输线的双层屏蔽，电缆采用双层屏蔽，两个屏蔽层的层与层之间是绝缘的，内层单端接地，抑制电容性耦合；外层两端或多端接地，抑制电感性耦合。双层屏蔽电缆的外屏蔽层可采用下述方法实现：铠装电缆的铠装层；敷设电缆的金属线槽、金属管等；钢筋混凝土结构的电缆沟。

2、控制室的屏蔽

控制室的屏蔽方式大体有建筑物的自身屏蔽、金属网格的格栅型大空间屏蔽以及金属板材围成的壳体屏蔽等。壳体屏蔽的屏蔽效果最好，但投资也很大，适用于实验室装置。建筑物自身对屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格栅型大空间的屏蔽可以通过选择网格宽度的大小来满足控制系统的需要，平衡投资的大小和效果的好坏，格栅型大空间的屏蔽最为理想。合理布线：A减少感应环路面积以减小互感，从而抑制干扰的电感性耦合。B和引下线保持一定距离。浪涌保护器：浪涌保护器是一种限制瞬态过电压和分流浪涌电流的器件。其基本原理是，它并接在被保护设备的附近，在没有浪涌出现时为高阻抗，当出现浪涌时就在很短的时间内（ns级）将雷电流释放到地使浪涌保护器变为低阻抗，从而保护了被保护设备。接地和等电位连接：防雷工程的接地系统用于雷电流的释放；抑制雷电电磁脉冲的电磁感应和静电感应；将分开的仪表装置通过等电位连接，以减少控制系统的设备在金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。

六、控制室的静电防护

静电在工程中的应用：静电除尘、静电喷涂、静电净化、静电复印等。

1、静电放电的特点

由于静电放电的时间是ns级的峰值电流可达数十安培，所以说瞬间的功率十分巨大。由于电流波形的上升时间很短，即di/dt很大，所以可以感应出几百伏乃至上千伏的高电位，从而产生出强电场。由于电流脉冲上升时间极快，持续时间极短，所以產生的静电放电电磁脉冲其能量足以使电子部件中敏感元件损坏。

2、控制室静电防护的基本措施

防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏，控制室的设计即静电防护工作区的建立应采取的基本方法，一般有：抑制干扰源，减小或消除源头上的静电积累。防止静电的产生是最彻底的方法，从产生静电的原理看，应该从降低有关物体的绝缘度着手，使两物体即使摩擦也不产生或少产生静电。铺设具有一定电阻率的防静电地面，它不仅可以导出人体静电，也为活动的设备提供了静电接地的条件。操作人员宜穿防静电制服。防静电制服通常是由导电纤维或经抗静电改性的织物制成。用于防止人体静电的积累。操作人员穿防静电鞋也是一种可行的措施。因为人是导体，在人体静电防护中最主要的措施是保证人体始终静电接地。控制柜以及电缆的屏蔽层都必须保持良好的接地。设置温、湿度控制。

七、辐射抗干扰对策

对于空间中大量存在的辐射干扰腔制辐射的源头和传播途径是不可能的因此，只能在接受设备上进行分析。根据电磁屏蔽的原理采取一定的方法来屏蔽辐射是最可行的办法，可以制作封闭的金属罩将重要的设备放置在金属罩中，形成一个屏蔽的空间避免受到外界的辐射干扰。另外，可以利用发射具有屏蔽作用的金属电涡流，来产生屏蔽高频率的干扰场。在实际应用的过程中，可以将这两种方法相结合，以此来控制辐射的干扰。

八、软件抗干扰措施

所谓软件抗干扰措施就是通过程序设计手段来排除电磁干扰可能造成的自动化控制系统误动作。这里列举几个简单的例子加以说明。

1、触点抖动的消除

对于外部输入设备可能产生的触点颤动，如按钮、继电器、传感器等的输入信号，可通过延时加以消除，对一些可持续一定时刻的脉冲干扰，也能够采纳这种方法加以消除。在挑选时刻设定值时，应使其大于触点颤动间隔时刻或干扰脉冲持续时刻。

2、可测干扰信号的抑制

关于可通过一定方法测出的短时干扰信号，如大电感负载断开时发生的干扰信号，可通过检查设备将干扰信号发生的时刻由接点的方式告诉控制系统，然后由控制系统的JMP/JME指令屏蔽输入信号，即有干扰信号效果这段时刻，不收集输入信号。

3、漏扫描检测

在编制应用程序时，可将程序分红若干段，在每段程序的尾部加一个段查看节点。每次扫描后，若是各段程序都现已被有效地扫描过，则此时应当给出准确信号，然后继续执行下一道程序和指令；如果有某段漏扫描，则宣布警告信号并进行预先规定的处理。

4、互锁诊断

继电器、接触器等动合、动断触点，不论其动作与否，总是呈互锁状态，即一对闭合，一对断开，若同时闭合或断开则为故障状态，必须加以妥善处理。

在进行故障诊断时，对能够猜测的干扰信号，总能够找到处理的办法。但有些干扰信号形成的毛病则很难事前预知，这就要求在软件及硬件设计时，全部思考体系的抗干扰办法。并且还要思考到，软件控制的控制体系中，因为软件与硬件的相互作用，有些故障很难判别出到底是硬件导致的仍是软件导致的，也就是说，在利用软件容错和冗余技术进行抗干扰时，软件和硬件毛病有必要结合起来思考。有些硬件毛病能够经过软件发现并自动采取修正及补救办法。有时有用硬件来监视软件作业的预备性。把控制体系的软、硬件结合起来处理电磁干扰问题，是自动化控制体系的优越性之一。

结束语：

随着科技的发展和工业化进程的逐步加快，自动化控制系统将会得到更加广泛的应用。希望通过本文的研究，能够为工业控制自动化系统的抗干扰研究提供一些参考和借鉴从而使自动化控制系统能够更好地发挥作用推动我国工业化的进一步发展。

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