关于DCS控制系统的抗干扰问题分析

张泽平

【摘要】本文对DCS系统抗干扰问题进行了分析和总结

【关键词】DCS系统；抗干扰；措施

DCS系统因其具备复杂的模拟回路调节能力、完善的现场总线技术高速逻辑、顺序控制性能、友好的人机界面及方便的工程软件和极好的扩展性，已应用于工业控制中的方方面面，控制系统的运行可靠性将直接影响到工业生产的安全平稳运行，甚至主宰了生产过程的命脉。系统的抗干扰能力既关系到整个系统可靠运行的关键，也是保护DCS系统自身安全的需要。其中DCS系统接地是延长系统硬件使用寿命和提高系统抗干扰的有效措施。一套完整的DCS系统设计，接地部分是设计中的一大难题，很多的DCS系统接地因各种因素造成的后果不堪设想。系统控制器根据实际情况，安装方式各有不同，有集中安装在控制室的，有安装在生产现场的，加上包含在系统中的现场一次检测设备以及远距离通讯电缆，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高系统运行的可靠性，提高系统抗干扰能力，一方面要求设备自身的抗干扰能力；另一主要方面，就是在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，把接地抗干扰当成一种首先考虑，并且必须做好的措施，才能有效解决问题。

一、干扰来源及对系统的干扰

（一）来自空间的电磁辐射干扰。系统成网络状延伸到生产现场的各个角落，其间不可避免的会受到空间电磁辐射的干扰。空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的运行过程、雷电、无线电信号传播等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。其影响主要通过两条路径：一是直接对DCS板卡内部电路的辐射，干扰电路程序产生误动作；二是对通信网络的辐射，由通信线路的感应产生干扰信号。辐射干扰与现场设备位置及设备所产生的电磁场大小，特别是与电磁频率有关，一般通过设置接地、屏蔽和隔离进行保护。

（二）传导干扰。主要通过供电电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。

（1）来自电源的干扰。DCS系统的正常供电一般设置双路冗余供电，一路由电网经不间断UPS净化电源供电，一路由电网直接供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上产生感应电压和电流。尤其是电网内部的变化、开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流谐波等，都通过输电线路传到电源源边，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对的隔离，消除供电干扰是不可能的。（2）来自输入、输出信号线路引入的干扰。与DCS控制系统连接的各类信号传输线路，覆盖范围广泛，环境复杂。其除了传输有效的各类信息之外，也会将外部各类干扰信号导入。此干扰主要有两种途径：一是通過传感器供电电源串入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量准确度降低，严重时将损坏整个板卡。甚至还将导致信号间互相干扰，通过共地系统，形成回流，造成控制程序紊乱和系统误动作。

（三）系统互扰。

电子设备既是干扰的受害者，也是产生干扰的根源之一。

（1）来自接地系统混乱时的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的最有效手段。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发送干扰信号；而错误的接地，因各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，可能构成闭合环路，产生地环路电流，通过各种形式的耦合，使各系统之间或一个系统内部产生干扰，影响系统内电路的正常工作；影响DCS系统的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序紊乱或系统发出错误动作指令。这样不但不能消除干扰，反而会引入严重的干扰信号，使DCS系统无法正常工作。（2）来自DCS系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生。这属于制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容。

二、系统抗干扰的措施

DCS系统的抗干扰是一个系统工程。要抑制或远离干扰源；切断或衰减干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。这就是抑制和消除干扰的基本原则。

（一）采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰。在DCS控制系统中，电网干扰串入系统主要通过DCS系统的供电电源、传感器供电电源和与DCS系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。对于DCS系统供电的电源、传感器供电电源和DCS系统有直接电气连接的仪表供电电源，一般都采用隔离性能较好的电源。

（二）电缆的选择及敷设。信号电缆尽量选择屏蔽电缆，不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。并合理接地，从而降低动力线产生的电磁干扰。

（三）软件抗干扰措施。由于电磁干扰的复杂性，尤其是在工业生产环境下，硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外。要根本消除干扰影响是不可能的。因此在系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施如数字滤波、限幅和工频整形采样等，可有效消除外界干扰。

（四）硬件设备的抗干扰措施。（1）硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统。可采用信号在接入系统前，在信号线与地间并接电容、线路上增加续流或分流器件等措施，以减少共模干扰和差模干扰。（2）尽量远离避开大功率电气设备，如必须经过或一次设备安装在其附近时，需要设置单独的屏蔽层进行电磁隔离，或隔离与DCS有直接电气连接的一次部件，或隔离电器设备，视情况而定。信号电缆宜采用双屏蔽电缆，并合理接地。

（五）正确选择接地点，完善接地系统。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是DCS系统抗干扰的重要措施之一。除了系统本身的接地，还牵涉到与系统有直接或间接电器连接的设备的接地、消除机房静电的接地、机房本身屏蔽的接地等。

三、结束语

DCS控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，具体情况具体分析，根据实际对症下药，才能合理有效地抑制抗干扰，才能够使DCS控制系统正常工作。