工业自动控制系统抗干扰措施及其运用浅述

工业自动控制系统抗干扰措施及其运用浅述

吴雄锋

(福建海峡科化股份有限公司，福建 三明 366000)

摘要：对工业自动控制系统的主要干扰源进行了简要分析，并在此基础上对抗干扰措施在工业自动控制系统中的运用进行论述，以期对提高工业自动控制系统运行稳定性及可靠性有所帮助。

关键词：工业自动控制系统；干扰源；抗干扰

收稿日期:2015-05-05

作者简介：吴雄锋(1975—)，男，福建泉州人，工程师，研究方向：电气工程及其自动化。

1工业自动控制系统的主要干扰源分析

现阶段，工业自动控制系统(以下简称工控系统)在诸多领域中获得了广泛应用，虽然其本身的可靠性较高，但在实际运行中也常常会受到一些干扰，从而影响了系统运行的稳定性。大体上可将工控系统的干扰源归纳为以下几个方面：(1) 辐射干扰。这是一种较为常见的干扰源，其主要是由辐射电磁场产生的，此类干扰源产生的原因有以下几个方面：电力网及电气设备的暂态过程、无线电广播、高频感应等等。若是工控系统运行环境的周围存在辐射电磁场的话，则会对系统的正常运行造成一定程度的影响。(2) 元件及电路干扰。此类干扰一般源自于工控系统内部，具体是由系统内元器件与电路之间的电磁辐射引起的。例如，系统中逻辑电路间的相互辐射及其对模拟电路的影响，另外系统中主要元器件不匹配也会产生相互干扰。(3) 电源干扰。通常情况下，大部分系统都是由电网进行供电的，当电网内部出现各种变化时，如开关浪涌、设备启停、交直流引起的谐波/暂态冲击等，都可能导致电压畸变，由此便会对工控系统造成一定的干扰，从而影响系统的稳定运行。(4) 信号干扰。在系统中，信号线主要起控制和传输检测信号的作用，相关研究结果表明，检测信号的传输质量优劣对工控系统的运行稳定性、可靠性具有直接影响。若是信号在传输中受到外界干扰，则会使信号的准确性降低，从而导致信号传输异常，严重时可能会使元器件受损。若系统的信号隔离性能较差，来自于外部的干扰信号还能引起不同信号间的相互干扰，进而引起总线回流，由此容易使逻辑数据的误差增大，甚至死机。(5) 接地线干扰。工控系统的地线主要包括交流地线、屏蔽地线、保护地线等。在这些地线上存在着各种信号的电流，同时，地线阻抗耦合还会产生出共模电压，由此会对输入信号线形成共模干扰。如果地线处理混乱，且电位分布不均衡，则会对逻辑和模拟电路的正常运行造成影响，进而影响系统运行。

2抗干扰措施在工业自动控制系统中的运用

目前，工控系统的干扰问题已成为影响系统稳定、可靠运行的主要问题之一，在这一背景下，业内的专家学者加大了对工控系统抗干扰措施的研究力度，也取得了一定的成果。下面对较为常用的抗干扰措施在工控系统中的运用进行分析。

2.1信号隔离器

在工控系统中，模拟量输出信号通道的干扰主要源自于电动执行器、变频器等设备，这些干扰的存在会导致采集的工艺参数不准确，严重时有可能使控制器板卡受损。此类干扰的抑制和消除方法有很多种，其中最为简便且有效的一种是在信号回路中使用输出型信号隔离器。信号隔离器在回路中的接入方法如图1所示。

图1　信号隔离器接入方法示意图

在此需要重点强调的是，在输出回路当中，必须采用输出型的信号隔离器，否则可能会产生二次干扰。

2.2优选供电电源

在工控系统中，电源具有非常重要的作用，为了避免供电电源对系统的干扰，可采用隔离性较好的电源，如UPS电源，这种电源的可靠性和安全性较高，并且具有较强的干扰隔离性能，可以进一步增强电源的干扰抑制能力。采用此类电源时，可对工控系统电源与动力设备分别进行配线，隔离变压器一次侧的电源应当接AC380 V，这样能够有效防止地电流的干扰。

2.3接地抗干扰

大量实践表明，良好的接地能够有效抑制共模干扰，并将干扰电流全部泄放到大地当中，这是目前工控系统抗电磁干扰最为常用的措施之一。为此，在系统接地设计中，应注意如下问题：(1) 应当采用单点接地。接地方式主要与频率有关，若是频率低于1 MHz，则应采用单点接地，如果频率高于1 MHz，则可采用多点接地。工控系统由于受到信号电缆分布电容及输入装置滤波等影响，装置间的信号交换频率一般都在1 MHz以下，鉴于此，为确保接地的有效性，应当采用单点接地的方式。当集中布置时，则可采用并联一点的接地方式，将各装置的接地点以单独接地线引至接地极上，如果装置之间的距离较远，则可用一根截面加大的铜母线将装置中心接地点连接到一起，然后再将母线与接地极进行可靠连接。(2) 接地线应当采用铜导线，并确保截面在2 mm2以上；接地母线则应当选用截面超过60 mm2的铜排；接地末端的接地电阻值不得超过2 Ω；系统的接地点与强电设备接地点之间的距离必须在10 m以上；屏蔽地线与保护地线应当独立接至接地铜排上。

2.4辐射干扰的抑制措施

屏蔽保护是抑制磁场和电场辐射干扰的有效措施。在工控系统中可采取以下屏蔽保护措施：对变压器、电感等元器件进行屏蔽，减少元器件对周围电路带来的电磁干扰；采用屏蔽线对传输线进行屏蔽，减少传输线对外部造成的干扰；对系统部件进行屏蔽保护，减少部件带来的电磁场干扰；采用高导磁材料对低频电磁波进行屏蔽，如利用磁钢制作屏蔽件等；采用高导电率材料对高频电磁波进行屏蔽，如利用铝、铜等材料制作屏蔽件，能够有效抑制电磁干扰。除此之外，合理选择元器件和设计元器件布局也能起到抗干扰的作用，有利于提高工控系统运行的可靠性和稳定性。

2.5采用软件抗干扰

由于工控系统干扰源具有复杂性的特点，虽然通过硬件方面的抗干扰措施能够对干扰进行有效抑制和减弱，但想要彻底消除干扰却比较困难。为此，在工控系统的软件设计与工程组态上，应当采取一些软件抗干扰措施，如数字滤波、延时消抖等，借此来提升系统自身的抗干扰能力。具体如：(1) 在工控系统中，为了进一步提升输入信号的信噪比，可通过软件滤波的方法增强数据的可靠性。连续进行多次数据采集，间隔时间可按照A/D转换时间及信号的频率确定。采集回来的数据，可根据先后顺序存放至不同的数据存储器当中，经过比较之后，取平均值作为输入值。目前，较为常用的软件滤波方法有程序判断法、中间值滤波法、防脉冲干扰滤波法、算术平均值等。(2) 工控系统经常会在振动较强的环境中运行，此时行程开关或按钮会由于抖动而误发信号，通常情况下，抖动出现的时间都相对较短，针对这一特点，可借助系统内的定时器经过延时，获得消除抖动后的可靠信号，以此来达到抗干扰的目的。(3) 利用“看门狗”对工控系统进行状态监控，或是采用软件容错编程等方法也能增强系统的抗干扰能力。

3结语

综上所述，在工业领域中，自动控制系统的应用已经非常普遍，系统本身的运行是否稳定直接关系到工业生产的正常进行。一旦自动控制系统受到干扰，势必会对系统的运行造成影响，这样会间接影响生产，不但会带来经济损失，严重时还可能引起安全事故。为此，必须采取有效的抗干扰措施消除各种干扰源对自动控制系统运行的影响，以此来确保系统运行稳定、可靠。在未来一段时期，应当加大对抗干扰技术的研究力度，除对现有的技术措施进行优化改进之外，还应研发一些新的技术措施，为工业自动控制系统的抗干扰提供强有力的保障。

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