自控仪表系统的防干扰策略

2022-03-13梁宇辰

今日自动化 2022年11期

梁宇辰

（吉林省石油化工设计研究院，吉林长春 130021）

自动化、智能化系统的安装过程中都会使用自控仪表系统，实时检查其工作状态，将相关数据反馈给自动化、智能化系统，并制定控制策略，从而保证生产的安全性和持续性。但是自动控制仪表的类型，根据其监测目标的不同具有较大的差别，如常见的电流、电压监控、温度、光源监控，而不同类型的质控仪表系统，其工作的环境受到干扰因素的影响也有较大的差别，为了确保生产质量，并有效降低自动控制仪表对生产进程所带来的影响，需要对自控仪表系统受到干扰的类型以及产生的原因进行有效的研究。

1 自控仪表系统的干扰类型以及产生原因

1.1 电磁干扰

电磁干扰是自控仪表系统面临的主要干扰因素，其在工作的过程中，受到系统中电流、电压、电磁力等多方面的影响，对其正常工作带来影响。例如在仪表工作的过程中，雷电、太阳电磁波对自控仪表系统的正常工作带来电离，或者产生空间定位的快速变化，这些干扰会进一步引起放电干扰现象。如电晕放电干扰，在高压功率的输电线路、大功率互感器设备的工作过程中可能产生，并带来短时的脉冲电流，脉冲电流会对自控仪表系统带来直接的影响，引起电刷间的放电、线路导电等[1]。同时，在电气设备工作的过程中，如电视、广播会发射无线电波，对临近的电子设备产生干扰。无线电波所造成的干扰主要由工频干扰和感应干扰组成，工频干扰通常为大功率电线及无线电接收的过程中，通过传输线路耦合产生干扰。感应干扰则是在使用电子开关、脉冲发生器时，由于电流、电压的极速变化，形成瞬时的过电流、过电压，从而造成高次谐波分量，进而在电气设备的周边产生交流电磁场，对自控仪表系统的工作效果带来不良的影响。

1.2 机械干扰

机械干扰是在使用的过程中，由于设备的机械振动、冲击，或者因为设备的搬运等原因，使自控仪表系统中的元件或者设备中的元件发生抖动、松脱等位移、变形现象。在遇到这种问题时，自控仪表系统的工作精度会受到干扰，从而造成测量结果的不正常。机械干扰在工业生产的过程中比较常见。由于工业生产会采用大型机械设备，设备中的电机等元件会在运行的过程中产生极大的振动，从而导致机械干扰现象的产生[2]。此外，由于地震等特殊原因所造成的振动，也可能对自控仪表系统中的元件带来不良的影响，在元件出现位移、脱落等的情况下，其工作的精准度、可靠性都会受到影响，进而导致最终的测量结果出现误差的现象。

1.3 热干扰

自控仪表系统的工作环境较为复杂，在温度较高的环境中，设备与元部件之间的温度波动、温度变化会对其物理性质带来影响，从而引起仪表或者装置的电路元件产生参数变化，导致其在工作的过程中无法精准地测量数值[3]。此外，在自控仪表系统工作的过程中，由于外部的客观条件可能会导致系统出现附加电势等现象，该问题会导致自控仪表系统的工作温度快速上升，对其工作状态带来不良的影响，使数值的精准度、自控仪表系统的工作稳定性受到干扰。

1.4 光干扰

自控仪表系统中采用大量的半导体元件，以提升自控仪表系统的自动化水平和测量的精准性。在光线条件的干扰下，半导体元件的工作性能、稳定性会产生较大的变化。例如，一些半导体会因为光的作用引起组织的变化，其性能也会有所下降。在检测的过程中，性能下降的半导体会对自控仪表系统的工作精准度带来影响，使其无法正常工作。

1.5 湿度干扰

自控仪表工作环境在湿度较高的情况下，绝缘体的绝缘性能会有所下降，在高电压元件的工作过程中，湿度较高可能会导致击穿现象的产生，会损坏自控仪表系统，对其工作效果带来影响[4]。例如空气中的湿度会导致绝缘电阻下降，从而产生漏电流，并且空气湿度较高的时候，电介质的介电系数比较高，电容量增加，很容易产生电感反应和击穿现象。此外应变片在粘贴后，空气湿度的影响下会导致其胶质变软，进而在使用过程中测量的精准度会产生较大的变化。

1.6 化学干扰

自控仪表系统工作环境中存在酸、碱、盐等具有腐蚀性的化学材料，会与自控仪表系统中的元件产生化学反应，在腐蚀、损坏设备元器件的情况下，自控仪表系统无法正常工作。同时在与金属导体产生化学反应时，会改变金属导体的性质，并引起化学电动势现象，最终对自控仪表系统的正常工作状态带来不良的影响。

1.7 辐射干扰

辐射波在现代日常生活中比较常见，短时的强电磁波、射线会导致自控仪表系统周边的环境产生气体电离，并对自控仪表系统的金属元件带来不良的影响，使其溢出电子产生信号的波动，从而对自控仪表系统的工作状态带来不良的影响。

2 常用的自控仪表系统抗干扰策略

2.1 电源控制

确保自控仪表系统工作状态的稳定性，通常情况下应当采用单独的电源为自控仪表系统进行供电，使其工作在较为稳定的电压、电流环境中，并在发生异常时及时切断电路，以保护自控仪表系统。在生产的过程中应当采用安装变压器的形式，为自控仪表系统进行隔离供电，使其与生产系统的强电区进行有效的分离，并采用专用的接地系统，确保自控仪表系统工作在正常的状态下[5]。此外，还可以在电源控制的过程中，使用过滤器以减少电路中存在的谐波和电波。并在此基础上，进一步控制自控仪表系统线路的稳定性，避免强电压、强电流在电路系统中出现。并做好对电源系统的定期检查工作，确保电源系统中的各元件在绝缘性、接地性、电流/电压的稳定性等方面具有良好的工作状态，从而提升自控仪表系统的工作稳定性，并降低因电源原因所带来的干扰现象。

2.2 浮空接地

在自控仪表系统的安装过程中，连接信号放大器的公共线路不接机壳、不接大地，使其呈现浮空的状态，从而有效抑制信号源所带来的干扰现象。由于信号放大器本身拥有相互绝缘的屏蔽层，在不接地、不接机壳的情况下，测量系统与屏蔽层之间没有直接的联系，使其不会产生电位差，在系统工作的过程中也不会因为电位差而导致过电压的出现，从而对干扰现象进行有效的抑制。浮空处理的方式可以有效减少干扰电流对测量系统所造成的影响，在浮空处理的过程中，可以有效增加信号放大器与公共线路、接地线路之间的阻抗，从而避免干扰电流对测量系统所带来的影响。但这种浮空状态并不能完全解决干扰电流的影响，虽然浮空状态下的阻抗较高，但依然存在一定的寄生电容，所以还是可能存在漏电干扰的现象。在选择接地处理的过程中，可以通过安全接地、信号接地等方式来降低噪声干扰，同时确保自控仪表系统在遇到高电压、高电流时，可以通过接地线路对其进行有效的保护。在接地处理的过程中，一定要重视接地线路的完整性，避免因绝缘包裹出现破损而造成的多点接地现象。多点接地现象会产生干扰信号，对自控仪表系统的信号带来波动，从而导致测量问题的出现[6]。

2.3 环境优化

可以对自控仪表系统的工作环境进行有效的监测，对环境中的温度、湿度、电压、光照等情况进行有效的监测，确保自控仪表系统工作在较为稳定的环境当中。同时，在安装、调试自控仪表的过程中，一定要穿戴好工作服并重视防静电处理，避免外界环境影响对自控仪表系统工作状态所带来的不良影响，同时还需要建立良好的避震、避雷处理工作，避免自控仪表系统在工作过程中因为相关的原因而带来的测量波动，从而全面提升自控仪表系统的抗干扰能力。

2.4 屏蔽隔离

在自控仪表系统安装的过程中，可以采用导电较好、抗辐射性能较高的金属材料作为屏蔽层，利用其在工作过程中较好的抗磁场干扰能力，确保自控仪表系统的正常工作。导电性较好的金属材料，在其工作的过程中外部的高频干扰电磁场会与其进行同步工作，并在金属屏蔽层中产生涡流磁场，从而抵消外部电磁干扰对自控仪表系统所带来的不良影响。同时还可以将金属屏蔽层进行接地处理，使其能够有效切断外部产生的干扰噪声通道。通常情况下，现阶段自控仪表系统最常用的屏蔽隔离方式有变压器隔离方式和光电耦合器隔离方式。

2.5 滤波抑制

在自控仪表系统中安装滤波器是抗干扰的重要手段，特别是对于电路中产生的各种干扰因素，可以使用滤波器对干扰噪声的频率分布进行有效的过滤，提升信噪比，从而避免干扰噪声对自控仪表系统所带来的影响[7]。由于在实际运用的过程中不同的滤波器起到的作用也有较大的差别，其使用经常采取与干扰噪声对称的滤波器对其进行过滤。例如，在直流电源输出滤波器的使用过程中，由于通常在自控仪表系统公用的线路，加装去耦滤波器，可以避免多个回路在使用过程中所产生的相互干扰现象，同时也可以对每个回路的电流进行控制，并采用滤波器来降低各个回路之间的干扰。

3 某企业自控仪表系统的抗干扰处理实例

3.1 干扰现象

某企业在生产过程中自控仪表系统出现多次信号扰动现象，该现象呈现不规则的波动，数据的变化波动较大，与实际的信号参数值不吻合，且产生干扰的现象是不规则没有规律的。在DCS 对其进行控制的过程中，存在多次信号中断的现象，但由于工作人员缺乏对应的技术能力，并没有对其进行有效的抗干扰改造。同时系统的工作环境中存在较多的电气设备，而系统所输出的弱电信号极易受到周边电气设备电磁干扰的影响，且系统中并没有采取有效的抗电磁干扰处理，导致信号失真现象比较常见。

3.2 原因分析

由于该系统工作环境中大功率的电气设备较多，且各种信号电缆存在一起捆扎的现象，使其在运行的过程中可能存在相互干扰现象。同时，自控仪表系统的信号线与交流电线都埋设在同一个管道中，导致相互干扰的现象较为频繁。

另外对其干扰类型的分析主要为噪声干扰和电磁干扰。由于电荷剧烈移动的过程中，对该系统的信号带来不良的影响；由于其采用的配电器隔离性能较差，在供电的过程中，可能产生共模电压对测量信号、元器件的工作状态带来不良的影响。

因此，干扰该系统正常工作的主要因素是由以下内容组成：①空间辐射干扰。在使用的过程中，由于电力网络、周边大功率电气设备所产生的高频电磁场对其造成辐射干扰；②采用DCS 通信网络在传输的过程中，由于电磁场的变化而产生干扰；③系统外的线路干扰。电源混用、信号线路与交流线路共用管道，所导致的相关干扰现象。

3.3 抗干扰处理

（1）采用隔离技术对该系统的工作环境进行有效的隔离，切断外部电磁波所带来的干扰现象。采用光电隔离措施，避免小能量、弱信号回路遭受外部电磁场的干扰。并采用继电器对强弱电之间的噪声进行有效的处理。

（2）改造该系统的电源。①为该系统提供独立电源，并采用一定的隔离措施来降低电源对其所带来的干扰；②使用分布电容较小、抑制带较大的稳压电源，从而减少电源给该系统所带来的影响。③进一步完善接地和屏蔽措施，将数字和模拟电路的工作地浮空，从而抑制DCS 可能带来的干扰现象。并避免接地过程中的多点接地现象，将信号线路与电源线路进行隔离。