工业自动化控制系统的干扰及预防措施

周有为

摘 要：自动化控制系统在当前国内工业现代建设过程中发挥着非常重要的作用，同时其自动化程度、控制系统自身的安全可靠性，关系着企业的生产经济发展，同时其稳定抗干扰也关系着整个系统的运行质量和效率。文章结合大量的工程设计经验，分析了工业自动化控制干扰源，并在此基础上提出了有效的抗干扰措施，从而提高自动化控制系统在工业控制中的可靠性。

关键词：自动化控制系统；干扰源；措施

随着科学技术的发展和工业自动化水平的不断提高，网络化、自动化的控制技术广泛的应用在工业控制系统中，大大的降低了劳动强度，提高了工业生产效率，使得工业发展取得了巨大的进步。为了确保整个系统工作的稳定可靠，一方面要求自动化控制系统使用的硬件设备抗干扰能力非常的强，另一方面，在现代工程设计、建设过程中，应当给予高度重视，同时尽量采取有效策略来完善和改进工业自动化控制环境、强化自动化控制系统自身的抗干扰能力。文章总结作者多年进行自动化控制系统的设计和调试经验，列举了部分可能干扰工业自动化控制系统的相关干扰因素、提升自动化抗干扰能力的有效措施和方法。

目前来看，实践中常见的提升工业自动化控制抗干扰能力的方法表现在以下几个方面、干扰源抑制措施、切断或者衰减干扰耦合途径方法、软件抗干扰措施。

1 干扰源抑制

实践中，就自动化控制系统而言，电磁干扰源包括供电电源、断开感性负载脉冲以及整流变频装置运行中的高频干扰等，具体分析如下。

1.1 供电电源干扰

由于电源的引入，会产生一定的干扰，这在很大程度上会对自动化控制系统产生不利影响；在工程调试中过程中，建议更换和使用带有隔离变压器的相关控制电源。该系统一般使用AC 220V电源供电，电网电压波动及工频干扰都可能会对自动化系统的可靠工作产生影响，因此必须尽量提高自动化控制系统电源质量。在工程应用中，提高供电电源质量和抑制供电电源干扰的措施有：

1.1.1 UPS电源应用

不间断供电电源供电过程中，可有效提高整个供电系统的安全性、可靠性。UPS本身具有非常强的干扰性、隔离性，因此是一种较为理想的自动化控制系统。

1.1.2 具有隔离性能的开关电源应用

对于自动化控制系统而言，其接口电源大多数都是DC24V，AC-DC开关的质量直接影响着自动化系统工作的可靠性。

1.2 将感性负载脉冲干扰断开

1.2.1 对于继电器输出型PLC控制电感负载而言，其负载电源通常是直流电，可在负载两端位置并联一个续流二极管。在此过程中，还可采用RC串联支路、电阻以及二极管加RC等方法，对噪声进行有效的抑制；实践中，如果负载电源本身是交流电，则建议在负载两端位置并联RC串联支路、可变电阻、压敏电阻以及硒整流片或者对接式稳压管。

1.2.2 对于晶体管输出型PLC控制感性负载而言，建议在负载两端位置，并联续流二极管、二极管加稳压管等方法，对负载断开脉冲干扰进行有效的抑制。

1.3 变频装置产生的高频干扰

在工业控制中大量使用变频装置对设备进行调速控制，变频装置在其工作中会产生高次谐波，这在很大程度上会导致电网电压波形出现严重的畸形或突变，严重威胁整个自动化控制系统的运行。针对这一问题，实践中主要抑制措施有：

1.3.1 设置线路电抗器

在变频装置电源输入侧接入进线电抗器，在输出侧接入出线电抗器。设置进线电抗器，可以抑制整流变频装置对电网电压的波动产生一定的影响。

1.3.2 变频装置电缆的选择和接线

尽量采用变频屏蔽电缆，并且注意电缆屏蔽芯和屏蔽网与变频器的正确连接，这样可以大大的减少变频器对外界的干扰。

目前大多控制系统中，变频器都采用现场总线通信控制方式，因此防止变频器对现场总线的干扰非常重要，否则将干扰整个自动化控制系统现场总线的正常通信。

1.4 静电放电抗干扰

对于静电放电噪声而言，其属于脉冲干扰，虽然其能量非常的小，但是其宽度相对较窄，而且瞬间产生的能量密度非常的大，可能会对自动化控制系统产生不利影响，比如引发误操作。针对这一问题，可采取的主要抑制措施有：提高电子设备表面的绝缘能力、尽量缩短信号线、加粗设备之间的接地线、高导磁材料覆盖整个信号回路。

2 干扰耦合途径切断[1]

2.1 公共阻抗耦合抑制策略

导线阻抗以耦合阻抗为主，其大小和系统中的导线铺设之间存在着非常密切的关系，而且该系统具体设计过程中，需充分考虑待相关的有效抗干扰方法。（1）最大限度地缩短公共阻抗导线长度，通过减小线路间距、直线布线方法，来有效的抑制公共阻抗耦合；（2）通过增大导线导体截面、最大限度地减少接触电阻数值的方面，来有效减小导线自身的电阻数值；（3）接地系统应用。接地系统对自动化控制系统工作的可靠性至关重要。自动化控制系统接地通常都要与保护接地分开，有效防范不同接地点之间的地电位差，避免形成地环路电流。比如，电缆屏蔽层需一点接地，若电缆屏蔽层存在A、B端接地的现象，则必然会产生一定的地电位差。在有雷击现象时，地线上的电流会变得非常的大；（4）采用继电器、光电耦合器、变压器等电隔离器件实现电位隔离；（5）4-20mA模拟量输入信号的负端接地，可有效抑制共模干扰现象的发生。

2.2 电容性耦合抑制策略

实践中，为了有效抑制、或者避免电容性干扰问题的发生，在自动化控制系统设计过程中，干扰源电气参数一定要使电压变化幅度、速率减小，而且被干扰系统还必须满足设计要求，将其设计成一个低电阻系统；同时，要求其结构尽可能的紧促一些，尤其在空间上一定要相互隔离开来。

2.2.1 为有效减小耦合电容数值，电缆敷设过程中，应当确保导线尽可能的短一些，尤其要避免出现平行走线现象，弱电线、强电线应当分别敷设于不同桥架、线槽之中，并尽量增加他们的距离。

2.2.2 以电气屏蔽为受到，抑制干扰源的干扰电场的作用。

2.2.3 将耦合电容彼此电气对称平衡地连接，可以抵消耦合的干扰作用。

2.3 电感性干扰防范策略

主要有三种方法：

（1）减小系统构件建的互感。在此过程中，其可采用的主要方法是减小系统耦合部分之间的距离、尽可能的减小导线长度、避免出现平行走线现象。

（2）对干扰源进行磁屏蔽设计，以此对干扰电场进行有效抑制。在此过程中，主要存在着静态磁、涡流两种屏蔽方式。其中，静态磁屏蔽因低频段，而导致屏蔽对象尽可能为密闭性的铁磁性外壳罩，而且其涡流屏蔽应处于高频位段，在此过程中，其利用的是非磁性物质涡流效应，并且对交变磁场产生一定的屏蔽作用。

2.4 抑制波阻抗耦合的干扰措施

波阻抗耦合分为传导波耦合和辐射波耦合两种形式。对于传导波耦合，可通过强电线与弱电线敷设，使用双绞线或同轴电缆等措施加以抑制；对于辐射波干扰，通常采用在干扰源和干扰对象间插入金属屏蔽物的方式来抑制。

2.5 设备选型

在选择设备时，尽量选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、带隔离功能的PLC系统。

2.6 电缆选择及敷设

电缆的选择应根据传输信号类型选择不同类型的电缆。如变频装置馈电电缆应选择变频屏蔽电缆，4～20mA模拟信号应选择屏蔽控制电缆，增量式编码器电缆应选择双绞分屏加总屏电缆等等。

电缆敷设应根据电压等级分层敷设，不同电缆层之间的间距需严格满足电缆敷设规范，严禁用同一电缆的不同芯线同时传送动力电源和弱电信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。

3 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。

3.1 触点抖动的消除

对于外部输入设备可能产生的触点抖动，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间的脉冲干扰，也可以采取这种办法加以消除。

在选择时间设定值时，应使其大于触点抖动间隔时间或干扰脉冲持续时间。

3.2 可测干扰信号的抑制[2]

对于可通过一定办法测出的短时干扰信号，如大电感负载断开时产生的干扰信号，可通过检测设备将干扰信号产生的时间由接点的方式通知控制系统，然后由控制系统的JMP/JME指令屏蔽输入信号，即有干扰信号作用这段时间，不采集输入信号。

3.3 漏扫描检测

在编制应用程序时，可将程序分成若干段，在每段程序的尾部加一个段检查节点。每次扫描后，若是各段程序都已经被有效地扫描过，则此时应当给出正确信号，然后继续执行下一道程序和指令；如果有某段漏扫描，则发出警告信号并进行预先规定的处理。

3.4 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，对可以预测的干扰信号，总可以找到解决的办法。但有些干扰信号造成的故障则很难事先预知，这就要求在软件及硬件设计时，全面考虑系统的抗干扰措施。同时还要考虑到，软件控制的控制系统中，由于软件与硬件的相互作用，有些故障很难判断出到底是硬件引起的还是软件引起的，也就是说，在利用软件容错和冗余技术进行抗干扰时，软件和硬件故障必须结合起来考虑。有些硬件故障可以通过软件发现并自动采取修复及补救措施。有时有用硬件来监视软件工作的准备性。把控制系统的软、硬件结合起来处理电磁干扰问题，是自动化控制系统的优越性之一。

总之，要设计一个在所有可能的条件下都能可靠工作的自动化控制系统，必须充分考虑控制系统的软件和硬件方法，不仅要满足系统的工艺要求，还要适应系统的环境要求，尤其是电磁环境的要求。

参考文献

[1]赵清.PLC控制系统的硬件抗干扰措施[M].北京：电子工业出版社，2011：143-150.

[2]韩兵.PLC编程和故障排除[M].北京：电子工业出版社，2009：97-101.