DCS/PLC系統(tǒng)中干擾源分析及處理方法

隨著社會(huì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，DCS/PLC等自動(dòng)化設(shè)備在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。這類控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，隨著設(shè)備的多樣性發(fā)展，干擾問題越來越突出。在自動(dòng)控制中如何能有效的消除和抵抗干擾也越來越受到重視。本文只對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常見的干擾問題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，希望能對(duì)大家有所幫助。

自動(dòng)化系統(tǒng)中所使用的各種類型DCS/PLC等自動(dòng)化設(shè)備，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和各種電機(jī)設(shè)備上，它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高這類控制系統(tǒng)可靠性，必須消除各種干擾才能有效保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

PLC/DCS控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源

1.來自空間的輻射干擾

空間的輻射電磁場(chǎng)(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜.若PLC/DCS系統(tǒng)置于射頻場(chǎng)內(nèi)，就會(huì)收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑;一是直接對(duì)DCS/PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾;二是對(duì)DCS/PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾.輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和系統(tǒng)局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù).

2.來自系統(tǒng)外引線的傳導(dǎo)干擾

主要通過電源和信號(hào)線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾.這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較嚴(yán)重.

A.來自電源的干擾

實(shí)踐證明，因電源引入的干擾造成PLC/DCS控制系統(tǒng)故障的情況很多。PLC/DCS系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電.由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，將受到所有空間電磁干擾.而在線路上感應(yīng)電壓和電流,尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流轉(zhuǎn)動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源邊.系統(tǒng)電源通常采用隔離電源，但其機(jī)構(gòu)及制造工藝因素使其隔離性并不理想.實(shí)際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對(duì)隔離是不可能的.

B.來自信號(hào)線引入的干擾

與PLC/DCS控制系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線，除了傳輸有效的各類信號(hào)之外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入.此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽略;二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾，這是很嚴(yán)重的.由傳輸信號(hào)引入的干擾會(huì)引起I / O 信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷.對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng)，還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)和死機(jī).PLC/DCS控制系統(tǒng)因信號(hào)引入干擾造成I / O 模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多.

3.來自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾

接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一.正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾;而錯(cuò)誤的接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使PLC/DCS系統(tǒng)將無法正常工作.DCS/PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等.接地系統(tǒng)混亂對(duì)DCS/PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作.例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽層兩端A 、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)加雷擊時(shí)，地線電流會(huì)更大.

此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)有會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的輻合，干擾信號(hào)回路.若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC 內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作.PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響DCS/PLC的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī).模擬地電位的分布將導(dǎo)致測(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作.

4.來自DCS/PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路互相輻射及其對(duì)模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等.這都屬于DCS/PLC 制造廠對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的內(nèi)容，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門是無法改變，可不必過多考慮，但要選擇具有較多應(yīng)用實(shí)踐或經(jīng)過考驗(yàn)的系統(tǒng)。

常見的干擾現(xiàn)象及判斷方法

現(xiàn)象：

A、系統(tǒng)發(fā)指令時(shí)，電機(jī)無規(guī)則地轉(zhuǎn)動(dòng);

B、信號(hào)等于零時(shí)，數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳;

C、傳感器工作時(shí)，DCS/PLC 采集過來的信號(hào)與實(shí)際參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)值不吻 合，且誤差值是隨機(jī)的、無規(guī)律的;

D、與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源(如顯示器等)工作不正常.

判斷步驟如下：

A、用萬用表AC 檔檢測(cè)接收端口，如受干擾會(huì)產(chǎn)生交流信號(hào).如果這個(gè)信號(hào)不大，則對(duì)信號(hào)采集影響很小，幾乎沒有.如果這個(gè)交流信號(hào)大，則會(huì)影響數(shù)值，需想辦法解決。

B、看口端是否接地?如接地是否存在懸空或接地不良情況.用萬用表測(cè)口端和地(可以是系統(tǒng)地，也可以是信號(hào)地)之間的電壓差。若存在交流電壓，則表示存在干擾，若沒有交流電壓，有直流電壓差.這個(gè)電壓差大，影響系統(tǒng);差值小，則影響小，可忽略不計(jì).

C、再看屏蔽層是否接地，是單點(diǎn)接地還是雙點(diǎn)接地?一般為單點(diǎn)接地.

更好、更簡(jiǎn)單解決系統(tǒng)干擾方法

(1)、強(qiáng)電干擾：

儀表信號(hào)、DCS/PLC控制信號(hào)都為弱電，易受強(qiáng)電干擾.所以要求在柜外布線時(shí)(在電纜溝、電纜橋架、穿管等敷設(shè)方式),通訊線、信號(hào)線、控制線等弱電信號(hào)遠(yuǎn)離強(qiáng)電，間距不得少于20CM.電纜溝多層時(shí)，要求弱電電纜敷設(shè)在強(qiáng)電電纜下方.

(2)柜內(nèi)干擾：

DCS/PLC系統(tǒng)不能和高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)拒內(nèi)，PLC的輸出采用中間繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)外部開關(guān)量信號(hào)的隔離.如果現(xiàn)場(chǎng)條件限制，輸入信號(hào)不能和強(qiáng)電電纜有效的隔離，可用小型繼電器來隔離輸入端的開關(guān)量信號(hào).當(dāng)然DCS/PLC來自控制柜內(nèi)的輸入信號(hào)和距控制柜不遠(yuǎn)的輸入信號(hào)一般沒有必要用繼電器隔離.

控制柜內(nèi)的有很多信號(hào)線.如走線混亂，會(huì)引起設(shè)備誤動(dòng)作，檢查起來卻相當(dāng)麻煩.所以在控制柜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這種情況，設(shè)備分層擺放，走線清晰.成套時(shí)，將PLC的舊線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內(nèi)，分開捆扎交流線、直流線，如條件允許，分槽走線最好，并使其有盡可能大的空間距離，力求將干擾降到最低限度.不同的信號(hào)線最好不用同一個(gè)插接件轉(zhuǎn)接，如必須用同一個(gè)插接件，要用備用端子或地線端子將它們分隔開，以減少相互干擾.

PLC不能和高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)，在柜內(nèi)PLC 應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力線(二者之間距離應(yīng)大于200mm ) .與PLC裝在同一個(gè)柜子內(nèi)的電感性負(fù)載，如繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路。

(3)信號(hào)線的抗干擾

信號(hào)線承擔(dān)著檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸任務(wù)，傳輸質(zhì)量直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性.對(duì)信號(hào)線的干擾主要是來自空間的電磁輻射，有差模干擾和共模干擾兩種.

差模干擾是指疊加在測(cè)量信號(hào)線上的干擾信號(hào)，這種干擾大多是頻率較高的交變信號(hào)，其來源一般是藕合干擾.抑制常態(tài)干擾的方法有：

A、在輸入回路接RC濾波器或雙T濾波器，

B、盡量采用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，由于這種積分器工作的特點(diǎn)，具有一定的消除高頻干擾的作用：

C、將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)再傳輸.

共模干擾是指信號(hào)線上共有的干擾信號(hào)，一般是由被測(cè)信號(hào)的接地端與控制系統(tǒng)的接地端存在一定的電位差引起的，這種干擾在兩條信號(hào)線上的周期、幅值基本相等情況下，采用上面的方法無法消除或抑制.方法如下：

A、采用雙差分輸入的差動(dòng)放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比;

B、輸入線采用絞合線，絞合線能降低共模干擾，其感應(yīng)互相抵消，

C、采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾;

D、使用屏蔽線，并單邊接地;

為避免信號(hào)失真，對(duì)于較長距離傳輸?shù)男盘?hào)要注意阻抗匹配。

開關(guān)量信號(hào)(如按鈕、限位開關(guān)、接近開關(guān)等提供的信號(hào))一般對(duì)電纜無特殊要求，可選用一般的電纜，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)時(shí)，可選用屏蔽電纜.

模擬信號(hào)和高速信號(hào)線(如脈沖傳感器、計(jì)數(shù)碼盤等提供的信號(hào))應(yīng)選擇屏蔽電纜.

通訊電纜要求可靠性高，有的通信電纜的信號(hào)頻率很高，一般應(yīng)選擇PLC 生產(chǎn)廠家提供的專用電纜，在要求不高或信號(hào)頻率較低時(shí)，也可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜，但品質(zhì)要好.

審核編輯：湯梓紅