一、概述
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,DCS在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。DCS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,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。自動(dòng)化系統(tǒng)中所使用的各種類型DCS,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DCS控制系統(tǒng)可靠性,一方面要求DCS生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面,要求工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中引起高度重視,多方配合才能完善解決問題,有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。
二、電磁干擾源及對(duì)系統(tǒng)的干擾
1干擾源及干擾一般分類
影響DCS控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣,大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位,這些電荷劇烈移動(dòng)的部位就是噪聲源,即干擾源。
干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同,分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質(zhì)不同,分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按噪聲干擾模式不同,分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號(hào)對(duì)地的電位差,主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)(同方向)電壓迭加所形成。共模電壓有時(shí)較大,特別是采用隔離性能差的配電器供電室,變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高,有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓,直接影響測(cè)控信號(hào),造成元器件損壞(這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因),這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓,主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓,這種直接疊加在信號(hào)上,直接影響測(cè)量與控制精度。
2 DCS控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源
2.1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DCS系統(tǒng)置于所射頻場(chǎng)內(nèi),就回收到輻射干擾,其影響主要通過兩條路徑：一是直接對(duì)DCS內(nèi)部的輻射,由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；而是對(duì)DCS通信內(nèi)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DCS局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù)。
2.2來自系統(tǒng)外引線的干擾
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(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較嚴(yán)重。
(1)來自電源的干擾
實(shí)踐證明,因電源引入的干擾造成DCS控制系統(tǒng)故障的情況很多,筆者在某工程調(diào)試中遇到過,后更換隔離性能更高的DCS電源,問題才得到解決。
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,它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化,入開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(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原邊。DCS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。
(2)來自信號(hào)線引入的干擾
與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息之外,總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾,這往往被忽視；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。由信號(hào)引入干擾會(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),還將導(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)。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DCS系統(tǒng)將無法正常工作。
DCS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)如雷擊時(shí),地線電流將更大。
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耦合,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)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布,影響DCS內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。DCS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的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯,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。
2.3來自DCS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,如邏輯電路相互輻射及其對(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)績(jī)或經(jīng)過考驗(yàn)的系統(tǒng)。
三、DCS控制系統(tǒng)工程應(yīng)用的抗干擾設(shè)計(jì)
為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾,必須從設(shè)計(jì)階段開始便采取三個(gè)方面抑制措施：抑制干擾源；切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑；提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點(diǎn)就是抑制電磁干擾的基本原則。
DCS控制系統(tǒng)的抗干擾是一個(gè)系統(tǒng)工程,要求制造單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)出具有較強(qiáng)抗干擾能力的產(chǎn)品,且有賴于使用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮,并結(jié)合具有情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。
進(jìn)行具體工程的抗干擾設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)主要以下兩個(gè)方面。
1設(shè)備選型
在選擇設(shè)備時(shí),首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品,其包括了電磁兼容性(EMC),尤其是抗外部干擾能力,如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的DCS系統(tǒng)；其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo),如共模擬制比、差模擬制比,耐壓能力、允許在多大電場(chǎng)強(qiáng)度和多高頻率的磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中工作；另外是靠考查其在類似工作中的應(yīng)用實(shí)績(jī)。在選擇國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品要注意：我國(guó)是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式,而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。由于我國(guó)電網(wǎng)內(nèi)阻大,零點(diǎn)電位漂移大,地電位變化大,工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上,對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能要求更高,在國(guó)外能正常工作的DCS產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)工業(yè)就不一定能可靠運(yùn)行,這就要在采用國(guó)外產(chǎn)品時(shí),按我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13926)合理選擇。
2綜合抗干擾設(shè)計(jì)
主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種如果抑制措施。主要內(nèi)容包括：對(duì)DCS系統(tǒng)及外引線進(jìn)行屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對(duì)外引線進(jìn)行隔離、濾波,特別是原理動(dòng)力電纜,分層布置,以防通過外引線引入傳導(dǎo)電磁干擾；正確設(shè)計(jì)接地點(diǎn)和接地裝置,完善接地系統(tǒng)。另外還必須利用軟件手段,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。
四、主要抗干擾措施
1 采用性能優(yōu)良的電源,抑制電網(wǎng)引入的干擾
在DCS控制系統(tǒng)中,電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入DCS控制系統(tǒng)主要通過DCS系統(tǒng)的供電電源(如CPU電源、I/O電源等)、變送器供電電源和與DCS系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的。現(xiàn)在,對(duì)于DCS系統(tǒng)供電的電源,一般都采用隔離性能較好電源,而對(duì)于變送器供電的電源和DCS系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源,并沒受到足夠的重視,雖然采取了一定的隔離措施,但普遍還不夠,主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大,抑制干擾能力差,經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以,對(duì)于變送器和共用信號(hào)儀表供電應(yīng)選擇分布電容孝抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù))的配電器,以減少DCS系統(tǒng)的干擾。
此外,位保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷,可采用在線式不間斷供電電源(UPS)供電,提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強(qiáng)的干擾隔離性能,是一種DCS控制系統(tǒng)的理想電源。
2 電纜選擇的敖設(shè)
為了減少動(dòng)力電纜輻射電磁干擾,尤其是變頻裝置饋電電纜。筆者在某工程中,采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜,從而降低了動(dòng)力線生產(chǎn)的電磁干擾,該工程投產(chǎn)后取得了滿意的效果。
不同類型的信號(hào)分別由不同電纜傳輸,信號(hào)電纜應(yīng)按傳輸信號(hào)種類分層敖設(shè),嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào),避免信號(hào)線與動(dòng)力電纜靠近平行敖設(shè),以減少電磁干擾。
3 硬件濾波及軟件抗干擾措施
信號(hào)在接入計(jì)算機(jī)前,在信號(hào)線與地間并接電容,以減少共模干擾；在信號(hào)兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。
由于電磁干擾的復(fù)雜性,要根本消除迎接干擾影響是不可能的,因此在DCS控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí),還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。
常用的一些措施：數(shù)字濾波和工頻整形采樣,可有效消除周期性干擾；定時(shí)校正參考點(diǎn)電位,并采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn),可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù),設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件標(biāo)志位；采用間接跳轉(zhuǎn),設(shè)置軟件陷阱等提高軟件結(jié)構(gòu)可靠性。
4正確選擇接地點(diǎn),完善接地系統(tǒng)
接地的目的通常有兩個(gè),其一為了安全,其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是DCS控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。
系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對(duì)DCS控制系統(tǒng)而言,它屬高速低電平控制裝置,應(yīng)采用直接接地方式。由于信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響,裝置之間的信號(hào)交換頻率一般都低于1MHz,所以DCS控制系統(tǒng)接地線采用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。集中布置的DCS系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式,各裝置的柜體中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線引向接地極。如果裝置間距較大,應(yīng)采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。用一根大截面銅母線(或絕緣電纜)連接各裝置的柜體中心接地點(diǎn),然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于22mm2的銅導(dǎo)線,總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻小于2Ω,接地極最好埋在距建筑物10～15m遠(yuǎn)處,而且DCS系統(tǒng)接地點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10m以上。
信號(hào)源接地時(shí),屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地；不接地時(shí),應(yīng)在DCS側(cè)接地；信號(hào)線中間有接頭時(shí),屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理,一定要避免多點(diǎn)接地；多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞總屏電纜連接時(shí),各屏蔽層應(yīng)相互連接好,并經(jīng)絕緣處理。選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c(diǎn)接點(diǎn)。
五、結(jié)束語
DCS控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問題,因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制抗干擾,對(duì)有些干擾情況還需做具體分析,采取對(duì)癥下藥的方法,才能夠使DCS控制系統(tǒng)正常工作。