浅谈工厂DCS控制系统抗干扰问题

摘 要：本文通过简要介绍DCS系统原理和产生干扰信号原因，讨论工厂防止干扰的一般方法。

关键词：工厂集散控制系统；抗干扰；接地；屏蔽；隔离

中图分类号：TM921.5文献标识码： A 文章编号：

现在工厂先进的生产工艺对自动化控制系统的要求越来越高，由于工厂设计、设备安装施工不当，对控制系统会产生很大干扰影响，并且这些干扰是一个非常复杂的问题，因此在抗干扰措施中应综合考虑各方面的因素，对有些干扰情况还需具体分析，才能够使DCS控制系统正常工作。

一、DCS集控系统的基本概念

工厂集散控制系统DCS是集计算机控制技术、通讯技术和图形显示技术为一体，通过中央控制室计算机集中控制整个生产线的各种操作，实现对全厂所有设备的工艺操作和电气控制。系统主要有现场控制站（I/O站）、数据通讯系统、人机接口单元（操作员站OPS、工程师站ENS）、机柜、电源等。系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。被控及检测对象分布在装置不同的地方，它们与控制站之间有较长的距离，受到噪声干扰的风险也随之增大。其次，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的电磁环境中，同时也受到来自空间的辐射、系统外引线干扰等问题。因此，除有用信号外，必然会有一些与被测信号无关的电流或电压存在，这种无关的电流或电压通称为“干扰”（噪声）。在测量过程中，这些干扰若不能很好地处理，那它将歪曲测量结果，严重时可能使仪表或控制站不能正常工作。因此，抗干扰性能是现代化工业控制系统所面临的重要问题。

二、集控系统干扰的种类

工厂集控系统DCS系统的干扰类型通常按干扰产生的原因、干扰模式和干扰的波形性质的不同划分。其中：按干扰产生的原因不同，分为放电干扰、浪涌干扰、高频振荡干扰等；按噪声的波形、性质不同，分为持续干扰、偶发干扰等；按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

三、集控系统产生干扰的原因

由于DCS系统信号是一种微弱的直流或变化缓慢的交变信号，最后还有过长距离传输过程，因此像大功率电机和其它电气设备产生的磁场，高压电气设备产生的电场以及各种电磁波辐射等等的存在和变化都将以不同的途径和不同的方式混入测控系统中。这些干扰总体上分为两大类：外部干扰和内部干扰，详细分析无外乎由于辐射、温度、湿度、振动、传输、感应、电源、接地几个方面。下面对常见的几种干扰机制进行分析：

1、传导干扰

1）当几种信号电缆在一起传输时，由于绝缘材料老化、漏电而影响到其它信号，即在其它信号中引入干扰。

2）在一些现场仪表中，采用220V电源供电，有时设备烧坏，造成电源与信号电缆间短路，强电窜入弱电，造成较大的干扰和设备损坏。

3）由于接地不合理引起的共模干扰。如果信号电缆的两端同时接地，则两点的接地系统可能出现电位差异E，可能会在信号电缆上产生一个很大的环流，叠加在信号电流上，造成模拟量信号波动。

2、电容电感耦合干扰

在被控现场往往有很多信号走电缆槽或者走电缆管同时接入控制系统，这些信号电缆在一起走线，之间均有分布电容存在，会通过这些分布电容将干扰加到别的信号电缆上。

3、计算机供电线路上引入的干扰

在大型电气设备启动和开关装置动作频繁的地方，会在其周围产生很大的交变磁场，这些交变磁场既可以通过在信号电缆上耦合产生干扰，也可通过电源电缆耦合产生高频干扰，这些干扰如果超过容许范围，同样会影响系统的工作。

4、其它因素

雷击可能在系统周围产生很大的电磁干扰，也可能通过各种接地线引入干扰。静电也往往成为毁坏系统设备的杀手。

四、集控系统抗干扰措施

工厂DCS集控系统各种干扰需同时满足具备三个要素：⑴干扰源；⑵传播途径；⑶接收器。因此只要消除三个要素中任意一个，干扰就不存在了，从而消除和减弱噪声干扰的方法亦应针对三项因素采取措施，抗干扰措施在硬件方面通常采取隔离、屏蔽、抑制、接地、双绞、滤波技术实施完成。在软件方面，像数字滤波、数字处理等更多的抑制干扰的措施和方法得以应用。

1）隔离的主要目的是通过隔离元件把干扰源的路径切断，从而达到抑制干扰的效果，隔离包含两种意义：一为可靠绝缘，即保证导线之间不会产生漏电流，所以要求导线绝缘材料的耐压等级、绝缘电阻必须符合规定；另一为合理配线，即要求信号线尽量避开干扰源，将不同种类的信号线隔离铺设（不在同一电缆槽中，或用隔板隔开）。

2）屏蔽是抑制干扰的重要方法。屏蔽和抑制是用金属导体把被屏蔽的元件、组合件、电路及信号线包围起来，主要用于抑制电容性藕合噪声，效果很好，除了电气屏蔽，还有强交变磁场的干扰，因此还应考虑磁屏蔽，即用导磁性能好的导体进行屏蔽。要是屏蔽起作用，屏蔽层必须接地，有的采用单点接地，有的采用多点接地，多点接地不便时，在两端接地。主要的理论依据是：屏蔽层也是一个导线，当其长度与电缆芯传送信号的四分之一波长接近时，屏蔽层相当于一根天线。在DCS系统中，低频的信号线，只能将屏蔽层的一端接地，否则屏蔽层两端的电位差会在屏蔽层中形成电流，产生干扰。

3）接地按其作用可分为保护性接地和功能性接地。系统的正确接地是防止干扰的有效手段，要求系统接地电阻小于4欧姆，遵循一点接地的原则。与电气接地点分开的原则。

4）双绞：双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效方法。在双绞线每个绞扭环中会通过交变的磁通，这这些变化的磁通会在周围的导体中产生电动势，而相邻绞扭环中在同一导体上的电动势方向相反，相互抵消，因此对电磁干扰起到了较好的抑制效果。在单位长度内的交数越多，抑制干扰的能力越强。

5）软件抗干扰：硬件滤波措施是使用较多的一种方法，技术比较成熟，但同时也增加了设备，提高了成本，而且电子设备的增加有可能带来新的干扰源。由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源，可靠性高，功能多样，使用灵活，具有许多硬件滤波措施所不具备的优点，当然它需要占一定的运行时间。软件抗干扰是以牺牲少量的运行速度和程序空间来达到抗干扰目的的方法，系统可采用指令冗余、设置软件陷阱以及数据冗余技术等软件抗干扰措施。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。

通过采取以上的措施，工厂DCS集散控制系统会运行稳定，对生产正常提供了有利保证。

参考文献：

Siemens automation and drive documents

作者简介：徐勋杰（1968.8- ），男，汉族，湖南岳阳人，现从事自动控制系统的维护管理及开发。