工控系統(tǒng)的電源抗干擾技術分析

引言

　　計算機用于工控自動化，對于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量、節(jié)約能源和材料、保障生產(chǎn)安全和減輕勞動強度、實現(xiàn)生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理等等方面都具有重要的作用，是直接提高經(jīng)濟效益、最具發(fā)展?jié)摿Φ闹卮箢I域。工業(yè)控制機要成功地運行，并產(chǎn)生預期的效益，是一個多因素且頗具難度的系統(tǒng)工程。根據(jù)我多年來的工控研究經(jīng)驗，其抗干擾性能是一個很重要的環(huán)節(jié)。它與工控機應具有一個好的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及有效的控制對策同算法同樣重要，都關系到控制項目的成敗。

　　工業(yè)控制機抗干擾技術主要包含：①電源抗干擾技術；②屏蔽和接地抗干擾技術；③輸入/輸出通道抗干擾技術；④通信抗干擾技術；⑤軟件抗干擾技術。本文主要討論電源抗干擾技術。

　　工業(yè)現(xiàn)場種類繁多的加工機械和動力設備的啟停運轉(zhuǎn)如電焊和電火花加工、晶閘管調(diào)壓、變頻設備等等，都是干擾源。這些干擾源既能以電磁場方式作用到工控機系統(tǒng)上，又能通過電源侵入計算機系統(tǒng)造成干擾。而通過電源造成干擾是最直接的，甚至是破壞性的，占工業(yè)控制機被干擾的絕大比例。雷擊對工控機造成的干擾和破壞，大多數(shù)也是從電源入侵的。因此，要提高工業(yè)控制系統(tǒng)的抗干擾性能，首先要在電源上下功夫。

　　1 過壓、欠壓、失壓保護

　　工業(yè)現(xiàn)場的供電品質(zhì)很差，常常不能達到國家對電網(wǎng)波動等級中規(guī)定的最低標準C級。表1列出了國家標準對電網(wǎng)波動等級的規(guī)定。當供電電壓超過C 級規(guī)定時，通常稱為過壓或者欠壓。而失壓又稱瞬時斷電。產(chǎn)生瞬時斷電，最常見的原因是用電設備突然短路而它的保險絲還沒有熔斷的瞬間。另外開關或刀閘觸點接觸不良或顫抖等也會產(chǎn)生瞬間斷電。瞬間斷電所允許時間國內(nèi)尚無標準，表2列出了日本《工業(yè)用計算機環(huán)境標準》中規(guī)定的瞬間斷電級別。

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　　當過壓或者欠壓超過工控機電源工作范圍時，會使電源失?；蛘邠p壞，直接威脅工控機的安全。而瞬時過壓或者欠壓形成涌流，即使不超過工控機電源的工作范圍，也會造成很強的干擾和破壞性。我們在某鋼廠的控制項目的安裝調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，煉鋼電爐的電極升降，或者大電機啟停，常常造成近百伏的瞬時過壓或者欠壓（車間400 V低壓側(cè)供電）?？朔^壓、欠壓的方法是選用寬電壓范圍的優(yōu)質(zhì)開關電源，或者外加交流穩(wěn)壓器、UPS電源以及在工控機內(nèi)設置欠壓、掉電保護電路等抗干擾措施。

　　1.1 開關電源

　　開關電源是把220 V交流供電直接整流濾波之后，再采用20 kHz 頻率的脈寬調(diào)制型振蕩變換為交流，通過高頻變壓器隔離變換，再整流變?yōu)橛嬎銠C所需要的多種直流電壓輸出。由于甩掉了傳統(tǒng)的工頻變壓器，因此具有體積小、效率高、電網(wǎng)電壓寬范圍變化時輸出不易過電壓或欠電壓的優(yōu)點。目前，做得好的開關電源能夠在100 V～300 V寬范圍正常工作，完全不需要再使用交流穩(wěn)壓器。由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，開關電源抗雷擊的能力比普通電源強，抗電網(wǎng)１個周期內(nèi)的失壓能力也比普通電源強。因此，工業(yè)控制機應選用優(yōu)質(zhì)的開關電源，而不應當再使用傳統(tǒng)的變壓器降壓電源。

　　1.2 交流穩(wěn)壓器

　　交流穩(wěn)壓器的類型和產(chǎn)品都很多，有電子式、鐵磁諧振式、分接開關式、伺服調(diào)整式和電源凈化器等等。它們的共同特點是把電網(wǎng)電壓波動±10％甚至±15％的范圍穩(wěn)定到±1％～±2％以內(nèi)。選用時應優(yōu)選具備抗電網(wǎng)干擾能力，或者原、副邊具有隔離的類型。例如電源凈化器（也稱凈化電源），采用大功率的LC濾波器，若在輸入端加入3 kV尖峰干擾，在輸出端只有低于3 V的輸出。除了具有抑制尖峰干擾性能之外，對半周失壓、過壓、欠壓等干擾有極好的動態(tài)響應。鐵磁諧振方式的交流穩(wěn)壓器有很好的電網(wǎng)抗干擾能力和原、副邊隔離，可靠性很高，只是它的動態(tài)響應較差。計算機控制系統(tǒng)使用這兩種類型的交流穩(wěn)壓器效果較好。

　　1.3 UPS（Uninterruptible Power System）

　　UPS，即不間斷電源。UPS最適合的應用領域是電網(wǎng)突然掉電，而計算機不能停止工作或者需要一個充足的時間保護重要數(shù)據(jù)的場合。隨著技術的進步，目前的UPS除了不間斷供電之外，還具備過壓、欠壓保護功能，軟件監(jiān)控功能等等。其中在線式的UPS還具備與電網(wǎng)隔離、強抗干擾特性，是高可靠性控制系統(tǒng)的最佳選擇。圖1示出了工業(yè)控制系統(tǒng)使用UPS的正確方法。正常工作時，電子開關K接到觸點1上，工控系統(tǒng)由UPS逆變供電，一旦UPS發(fā)生故障，電子開關K立即轉(zhuǎn)換到觸點2上，由市電供電。這種正常情況下由UPS逆變供電，市電作為備用的方法是最有效的電源抗干擾方法。因為UPS逆變的輸出電壓非常穩(wěn)定干凈，完全隔離了工業(yè)現(xiàn)場供電電源的各種干擾污染，而且抗雷擊效果也較其他的方式好。由于逆變器輸出的交流電壓與市電同步鎖相，因此，開關由1切換到2位置時，不會引起大的干擾。

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圖1 工業(yè)控制系統(tǒng)使用UPS的正確方法

　　2 電網(wǎng)尖峰脈沖干擾的防治

　　工業(yè)現(xiàn)場的電網(wǎng)污染嚴重。但對工業(yè)控制機來說，危害最嚴重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾。圖2示出了尖峰脈沖的形狀。在煉鋼廠、 軋鋼廠或者大量使用晶閘管設備、電火花設備、電力機車等地方，這種尖峰干擾為害尤厲。其幅度大的可達數(shù)百伏甚至上千伏，而脈寬一般為μS數(shù)量級。雷電也常以尖峰脈沖方式入侵。尖峰脈沖幅度很大時，會破壞工控機開關電源輸入濾波器、整流器甚至主振管。再加之其頻譜很寬，也會竄入計算機造成干擾。對尖峰脈沖干擾的防治方法，主要有濾波法、隔離法、吸收法和回避法。

　　 2.1 濾波法

?????? 主要是采用電源濾波器濾除尖峰干擾。圖3示出了典型的電源濾波器原理圖。L1、L2是繞在同一鐵心上的共模軛流圈，對共模形式的干擾呈現(xiàn)很大的阻抗，而對工頻和常模形式的干擾電感為零。因此對圖2所示的形成常模形式的尖峰干擾無效。但電容C1、C2、C3卻對其有一定的衰減。目前這類產(chǎn)品繁多，大多數(shù)按IEC/CISPR №。17出版物的規(guī)定指標生產(chǎn)。例如常州堅力電子有限公司生產(chǎn)的D、DZ、PC、K、T、F系列的電源濾波器，對共模干擾插入衰減，在10～30 MHz頻率范圍，可為20～50 dB以上。電源濾波器體積小，價格便宜，但效果一般。

圖3 典型的電源濾波器電原理圖