工业自动化系统抗干扰方法浅析

2015-08-15廖扬华

科技视界 2015年8期

廖扬华

（上海优科环境工程技术有限公司，中国上海 200949）

近年来，我国工业化水平不断提高，自动化系统在工业生产运营中发挥着重要的作用，各种自动化检测设备和传感器被广泛应用在各个环节。结合工业自动化系统存在的干扰项，有针对性地采取有效抗干扰措施，提高工业自动化系统的安全性和稳定性。

1 工业自动化系统主要的干扰来源

通常情况下，工业自动化系统干扰源主要是按照干扰产生原因进行分类。根据噪声干扰模式，可将工业自动化系统干扰源分为差模干扰和共模干扰，差模干扰主要是由不均衡电路转换电压和两级信号干扰电压叠加而形成的干扰；共模干扰主要是由于信号电位差造成信号感应电压和接地电位差叠加而形成的干扰。在工业自动化系统应用过程中，其主要的干扰来源有以下几种：

1.1 电源干扰

工业自动化系统必须供电运行，但是自动化系统电源在应用过程中会受到电磁干扰，在开关操作和电网内部会受到短路冲击和浪涌，影响电源的稳定运行。由于自动化系统存在分布电容，必须绝对隔离电网冲击和浪涌。

1.2 雷电电磁波干扰

雷电电磁波干扰是工业自动化系统运行过程中最主要的外围干扰源。雷击电磁脉冲通过数据传输线路和电源传输线路会输入浪涌电压和电流，从而影响自动化系统的安全、稳定运行。

1.3 地电位干扰

通常情况下，自动化控制系统需要获取基准电位，再进行接触，获得接地基准点，在系统基准点中，由于单相接会产生大量短路电流，因此工业自动化系统易受到地电位干扰，导致整个工业自动化系统运行的出错和混乱[1]。

1.4 信号传输线干扰

工业自动化系统内部包含各种信号传输线，信号传输线主要是传输有效信息，但是在信号传输过程中，信号传输线不可避免会侵入部分干扰信号，一方面，由于信号传输线受到电磁辐射干扰，使得传输线外部产生感应干扰，导致信号工作异常，甚至会损坏自动化系统的各种元器件；另一方面，干扰信号通过供电电源对系统造成干扰。另外，对于隔离和绝缘性能较差的自动化系统，电磁辐射干扰会引起系统的互相干扰，造成工地系统总线回流，导致逻辑数据的误动和变化。

2 工业自动化系统的抗干扰方法

2.1 使用高性能电源

工业自动化系统要尽量使用高性能电源，自动化控制电气仪表进行供电，通过电气连接和供电电源，提高工业自动化系统的隔离性能。同时，有效结合工业自动化系统的电气仪表供电和变送电器电源，提高自动化系统的抑制抗干扰能力。另外，确保电网供电的连续性，采用不间断的供电电源，提高电源的可靠性和安全性，最大限度降低电源对工业自动化系统的干扰。

2.2 准确设计接地点，完善接地

当前，工业自动化系统接地主要包括浮地接地、电容接地和直接接地等，由于工业自动化系统是一种低电高速的控制装置，适合直接接地方式，但是考虑到信号电缆分布电容和输入装置滤波的影响，自动化系统不同装置的信号传送频率低于1MHz，因此自动化系统的接地设计可以采用串联一点和一点接地方式，用单独接地线将自动化系统的各种电力装置进行接地。对于集中布置的自动化系统可采用并联一点接地形式，各个装置柜体中心采用单独接线方式。如果系统装置间的距离较远，可使用串联一点节点方式，用绝缘电缆或者铜母线连接各个装置的柜体中心接地点，将接地极直接连接接地母线。自动化系统的接地线要采用截面直径大于10mm的铜导线，将接地极和自动化系统装置保持10～15m距离，总母线应采用截面直径超过40mm铜排，并且自动化控制系统的接地点要和强电设备接地点保持10m以上的距离[2]。对于中间有接头的信号线，应牢固连接屏蔽层，做好绝缘处理，连接总屏蔽多芯对绞电缆和屏蔽双绞线时，合理设计各个屏蔽层的间距，相互连接好，进行绝缘处理，选用合适的接地位置进行单点接地。自动化系统信号源接地设计，应在信号测加装屏蔽层进行接地。

2.3 科学屏蔽电磁和静电

根据电磁学原理，采用合适的金属材质制作封闭的金属容器，将自动化系统中需要保护的零器件放在金属容器中，避免内部电磁场影响自动化系统外部电路的正常运行，有效屏蔽静电，例如对PLC电源加装隔离变压器，在隔离变压器的次级和初级绕组上加屏蔽层，在分级进线的电源设备上安装避雷器。另外，为了避免工业自动化系统受到高频磁场的干扰，可使用具有良好屏蔽效果的金属电涡流，抵消自动化系统的干扰量，将信号电缆和动力电缆分开，有效屏蔽电磁场干扰和静电干扰，提高工业自动化系统的抗干扰性。

2.4 采用信号处理滤波技术

为了进一步提高工业自动化系统的抗干扰性，要积极采用信号处理滤波技术，处理传输信号的特定频率，通过滤波器剔除和过滤干扰信号，减少信号传输线中干扰信号对工业自动化控制系统的干扰。当前，市场上有多种滤波技术产品，如机械滤波器、晶体滤波器和其他滤波器等，结合工业自动化系统的运行要求，在计算机编程过程中采用中位值滤波、惯性滤波等信号处理方式，减少干扰信号，增加信号可信度，各种类型的滤波器对于提高工业自动化系统的抗干扰性有着非常重要的作用。

2.5 合理敷设电缆

在工业自动化系统中，不同类型的信号必须由不同的电缆线路进行传输，按照传输信号的种类，对信号电缆进行分层敷设，避免同一电缆线路同时传送信号和动力电源，严禁动力电缆和信号线平行敷设，尽量减少工业自动化系统的电磁干扰。

2.6 软件抗干扰和硬件滤波措施

工业自动化系统的电磁干扰非常复杂，不可能彻底消除电磁干扰，因此在自动化系统组态和软件设计时，必须对软件系统采取抗干扰措施，提高软件系统的安全性和可靠性。常用的抗干扰措施主要包括频率整形采样和数字滤波，可有效消除工业自动化系统的周期性干扰。采用动态零点，注意校正参考基点电位，防止自动化系统的电位漂移，并且利用信息冗余技术，合理设计软件系统的标志位，通过设置软件陷阱、间接跳转等方式，提高软件系统的可靠性。另外，由于工业生产运营环境非常恶劣，在I/O信号传送过程中易受到各种类型的干扰信号，为了提高工业自动化系统运行的可靠性，可在系统中应用软件容错技术，编写计算机程序，使自动化系统可以及时发现错误信号，及时进行调整。