工业控制系统的干扰与抗干扰

摘 要： 在工业控制系统的设计、使用过程中，各种干扰无时不在干扰控制系统的正常运转。从干扰的定义、干扰分类及抗干扰的应对措施等几个方面进行详细分析阐述，为工业控制系统正常运转提供技术上的保障。

关键词： 工业控制系统；干扰；抗干扰

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0120046-03

随着机电一体化技术的发展，工业控制系统应用场所越来越广泛。干扰与抗干扰就像矛与盾相伴相随。在工业控制系统的工作环境中，存在大量的干扰信号，如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等，当干扰信号在工控系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，从而降低系统运转的可靠性和稳定性。本文即是针对各种干扰的来源以及抗干扰措施进行分析、研究。

1 干扰的产生

1.1 干扰的定义

干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。这些有害因素使得控制系统的信号数据发生瞬态变化，增大误差，出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故障、甚至系统崩溃。

从广义上讲，控制系统干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。其中电磁干扰最为普遍，且对控制系统影响最大，最难解决。

1.2 形成干扰的三个要素

干扰形成包括三个要素：干扰源、耦合通道和接受载体。三个要素缺少任何一项干扰都不会产生。

干扰形成的路径

1.2.1 干扰源

产生干扰信号的设备被称作干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生干扰信号。当然，雷电、太阳和宇宙射线等也属于干扰源。

1.2.2 传播途径

传播途径是指干扰信号的传播路径。电磁信号在空中直线传播，并具有穿透性的传播称为辐射方式传播；电磁信号借助导线传入设备的传播被称为传导方式传播。传播途径是干扰扩散和无所不在的主要原因。

1.2.3 接收电路

接收电路是指设备中对干扰信号敏感的某个部分，吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的部分。接收电路的接受过程又成为耦合，耦合分为两类：通过金属导线等介质接受干扰信号的过程称之为传导耦合。干扰信号通过空间以电磁场形式耦合至接受载体的称之为辐射耦合。

根据干扰的定义可以看出，干扰信号之所以是干扰是因为它会对系统造成不良影响，反之，不能称其为干扰。从形成干扰的要素可知，消除三个要素中的任何一个，都会避免干扰。抗干扰技术就是针对干扰三个要素的研究和处理。

1.3 干扰的种类

按干扰的耦合模式分类，干扰主要包括下列四种类型。

1.3.1 电网干扰

电网是整个工业系统的命脉，理想的电网供电质量应该是电压稳定、纯正弦波、频率准确、供电不间断。但实际上由于电网中负载的变化，如继电保护系统开关的通断；大功率用电设备的起停；感抗容抗器件在电网中接入和断开等都会在正弦波上叠加高频振荡或瞬变脉冲，造成电网波形严重失真，电网电压波动。电网干扰可以引起信息设备出错、失灵、数据丢失、破坏程序。造成的损失往往是难以挽回的重大经济损失。据统计工控系统故障有80%是由电网干扰引起的。每年因电网干扰引起仪器、设备受损的例子在国内外举不胜举。对于电子工程师来说，电网干扰是最头疼的事情，尤其是工程施工现场，由于客观条件的限制电网干扰更严重。

1.3.2 辐射干扰

辐射干扰主要是由电力网络、雷电、广播电视信号、雷达、高频感应加热设备等产生的，分布极为复杂。辐射干扰与现场设备布置及与设备所产生的电磁场的大小有关，特别是与频率有关。

1.3.3 信号通道干扰

与控制系统连接的各类信号传输线除了传入各种有用的信号外，还会伴随有外部干扰信号。由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度的严重失真。信号干扰分为模拟信号干扰和数字信号干扰。

1.3.4 接地系统干扰

接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。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出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使控制系统无法正常工作。

2 抗干扰的措施

抗干扰技术就是了解、分析、研究干扰的产生根源、干扰的传播方式和避免扰的措施（对抗）等问题。在做系统设计时就要采取尽量避开各种干扰的方法，尽量避开干扰源。

提高工控系统抗干扰能力最理想的方法是提高接收电路的抗干扰能力，抑制干扰源，削弱干扰信号的强度，使其不向外产生干扰或尽可能将干扰信号强度影响限制在允许的范围之内。抑制干扰的措施很多，针对不同类型的干扰要采取相应的措施，同时要提高接收电路的抗干扰能力和在软件编写上采取相应对策。抗干扰技术主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法。

2.1 电网抗干扰措施

工业控制系统的电源都接自电网。工业现场的用电情况比较复杂，电网上经常有振荡电压的存在，经过供电线路进入电源系统，造成电源电压不稳定、波形不规则。干扰工控系统的正常运转。目前主要采取以下几种措施来尽可能减少来自电网的干扰：

2.1.1 低通滤波器

低通滤波器作用只让低频成份通过，而高于截止频率的成份则受抑制、衰减，不让其通过。在工控系统中，常用低通滤波器抑制由交流电网侵入的高频干扰。下图为电源常用的LC低通滤波器的接线图。含有瞬间高频干扰的220V电源通过截止频率为50Hz的滤波器，其高频信号被衰减，只有50Hz的工频信号通过滤波器到达电源变压器，保证正常供电。

LC低通滤波器原理图

2.1.2 隔离变压器

隔离变压器也是常用电源隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。

2.1.3 电源监视线路

电源监视线路具有监视电源电压瞬时短路、瞬间降压和微秒级干扰及掉电功能，即时输出供CPU接受的复位信号及中断信号总功能。

2.2 辐射抗干扰措施

对于外来辐射抗干扰措施主要是屏蔽和正确的接地（见2.3.3）。屏蔽是利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。屏蔽主要用于空间外来干扰信号的抑制。实际应用中须注意以下几点：

1） 消除静电干扰最简单办法是把感应体接地，接地时要防止形成接地环路。

2）为了防止电磁场干扰，使用带屏蔽层的信号线，要将屏蔽层单端接地。

3）不要把导线的屏蔽层当作信号线或公用线使用。

4）避免在电源电路和检测、控制电路之间使用公共线。

5）避免在模拟电路和数字电路之间使用公共线。

2.3 信号通道抗干扰措施

2.3.1 隔离措施

1）光电隔离

光电隔离是以光作媒介在隔离的两端间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。光电耦合器在传输信息时，借助于光作为媒介物进行耦合。

光电隔离原理图

光电隔离具有以下几方面的特点：

① 光电耦合器的输入阻抗很小，一般为100Ω～1kΩ之间，而干扰源内阻则很大，通常为105～108Ω，因此能分压到光电耦合器输入端的噪声很小。② 干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，即使有很高电压幅值的干扰，由于不能提供足够的电流而被吸收。③ 光电耦合器是在密封条件下实现输入回路和输出回路的光耦合，不会受到外界光线的干扰。④ 输入回路和输出回路之间分布电容极小，一般为0.5～2pF之间，而且绝缘电阻很大，通常为1011～1012Ω，因此回路一边的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一边去。

2）变压器隔离

隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。

3）继电器隔离

继电器线圈和触点仅在机械上形成联系，而没有直接的电的联系。继电器线圈接受控制信号，利用其触点控制和传输电信号，从而实现强电和弱电的隔离，使得高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。同时，继电器触点较多，触点能承受较大的负载电流，应用非常广泛。

实际使用中，继电器隔离适合开关量信号的传输。系统控制中，常用弱电开关信号控制继电器线圈，使继电器触电闭合和断开。而对应于线圈的触点，则用于传递强电回路的某些控制信号。隔离用的继电器，主要是一般小型电磁继电器或干簧继电器.

2.3.2 传输线防干扰措施

1）传输线要尽可能短。

2）信号线与电源线分开配线，电源线放在有屏蔽的金属管内。

3）带屏蔽层的信号线，要将屏蔽层单端接地。

4）在保证性能的前提下，把并行传输改成串行传输。

5）TTL电路负抗干扰能力比正抗干扰能力强，尽量用负脉冲或负电位传输等。

2.3.3 合理的接地措施

将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗的连接，称之谓接地。接地的目的有两个：一、安全。二、给系统提供一个基准电位。接地抗干扰技术主要是消除公共地线阻抗所产生的共阻抗耦合干扰，避免受磁场和电位差的影响，防止形成地环电流电路与其他电路产生耦合干扰。

1）见的接地方式有如下几种：① 悬浮接地 系统的工作地线与参考大地及其他导体之间没有导体连接，即设备悬浮，以悬浮的“地”作为系统的参考电位。这样可以提供良好的电器隔离，但是容易产生静电积累。② 单点接地 系统中的电路以一点作为参考，把这个单一的点连接至设备的接地系统。低频时可以避免各个单元的地阻抗干扰，但高频时，易造成单元间的相互干扰。③ 多点接地 所有电路的地线都是就近接地，以降低地线的阻抗，多适用于高频电路。多点接地比单点接地简单，但是由于接地点增加会导致设备可靠性降低。④ 混合接地 是指接地形式同时包括单点接地和多点接地形式。

2）设计接地电路和地线时遵循以下几点原则：① 交流地、直流地、模拟地、数字地必须要分开接地。② 地线应尽量粗，如果地线很细，接地电阻就会很大，信号电平不稳，降低电路的抗干扰能力。③ 工业控制系统主机和外部设备金属屏蔽直接接地。④ 根据需要选择合适阻值的接地电阻。⑤ 采用接地扼流圈的方法，防止地电流和高频电流干扰。⑥ 根据工作频率的大小，确定合适的接地形式。工作频率小于1MHZ时使用单点接地。大于10MHZ时选择多点接地形式。

2.4 软件抗干扰设计

工业控制系统在恶劣环境中工作时，干扰源不仅会影响到硬件系统的正常工作，还常常使系统的软件运行发生混乱。因此系统的抗干扰问题不能完全靠硬件去解决，软件的抗干扰设计也是一项重要措施。系统受到干扰时，可能使单片机内部特殊功能寄存器（SFR）值改变，使程序状态混乱；如果改变的是程序指针PC值，则会使程序进入死循环或将数据区中的数据破坏。如果是被测信号受到干扰，则会造成测量值失真。对于程序运行失常的软件，对策是及时发现，及时引导程序指针指向正确位置，或系统复位重新开始运行。通常采用如下措施：

2.4.1 软件滤波

用软件来识别有用信号和干扰信号，并滤除干扰信号的方法，称为软件滤波。识别信号的原则有三种：

1）时间原则。分析、掌握有用信号和干扰信号在时间上出现的规律性。

2）空间原则。从不同位置、用不同检测方法、经不同路线或不同I/O口对接收到的同一信号进行比较，根据既定逻辑关系来判断真伪，滤掉干扰信号。

3）属性原则。有用信号往往是在一定幅值或频率范围的信号，当接收的信号远离该信号区时，可通过软件识别予以剔除。

软件滤波的方法主要有限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、滑动平均滤波法、限幅平均滤波法、消抖滤波法、数字滤波器等。

2.4.2 软件“陷阱”

当程序进入非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强迫程序回到初始状态。如单片机的RST指令对应字节码为0FFH，如果在不用的程序存储区预先写入0FFH，则当程序因干扰而“飞”到该区域执行代码时，就相当于执行了一条RST指令，从而达到系统复位的目的。实际上，新的EPROM芯片在没写入任何内容前，各字节内容均为0FFH。

2.4.3 看门狗技术

看门狗技术（watchdog timer）是一种程序监视技术，防止程序由于干扰等原因而进入死循环。它不断监测程序循环运行的时间，若发现程序运行时间超过最大循环运行时间就认为系统陷入死循环，然后强迫程序返回到已安排了出错处理程序的入口地址，使系统回到主程序或程序入口正常运行。看门狗技术可以通过硬件或者软件两种方式实现。

1）硬件看门狗是个特殊定时器，来监控主程序的运行。也就是说在主程序的运行过程中，程序在一定时间范围内对定时器清零。如果出现死循环，或者说PC指针不能回来，那么定时时间到后看门狗定时器就会溢出，产生复位信号使单片机复位。常用硬件看门狗芯片如MAX691、MAX6316LUK29CY-T、TPS3823、MAX813L、W78E51B、X25045、X5043/X5045等。下图为常用硬件看门狗电路设计图。上图为常用硬件看门狗电路设计图。

2）软件看门狗与硬件看门狗原理上差不多，只不过是采用软件的方法实现这个功能。利用单片机片内定时器的计数器单元作为看门狗，在单片机程序中适当地插入“喂狗”指令，当程序运行出现异常或进入死循环时，利用软件将程序计数器PC赋予初始值，强制程序重新开始运行。

以MCS-51系列单片机为例，晶振频率为12MHz，定时器T0工作在方式1，根据定时时间ams，设定定时器T0的初值应设为TH0=0xxH、TL0=0yyH，下面为软件门狗常用汇编语言程序：

3 总结

工业控制系统的工作环境恶劣，存在各种各样的干扰。进行系统设计时，必须对环境做全面的分析，确定干扰的来源、性质。采取相应的措施和方法来加以解决，设计者应综合考虑系统资源、经济性、可靠性等多方面因素，合理制定工业控制系统方案，提高系统的性能价格比，保证工业控制系统能够长期稳定运行。

参考文献：

[1]何立民，《单片机应用技术选编》，北京航空航天大学出版社，1993.12.

[2]刘芳芳、黄会雄，《电子设备可靠性设计方法研究》[J].电子测试杂志编辑部.2007.2.

[3赵廷弟，《系统可靠性设计分析教程》[M].北京航空航天大学出版社，2004.