仪表控制系统抗干扰技术浅析

引言：

仪表及控制系统的可靠性设计是一项系统工程，它直接影响到工业生产装置是否安全、长周期稳定运行，而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。随着DCS、现场总线技术的应用，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。大量实践说明，抗干扰性能是现代化工业所面临的重要问题，尤其是在DCS、现场总线技术的广泛应用，有效地排除和抑制各种干扰，已成为必需探讨和解决的问题 。因此，要提高控制系统可靠性，一方面要求生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

1、干扰源及干扰一般分类

影响DCS系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。

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。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），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。　

2 仪控系统的信号干扰因素

由于测控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。通常来说干扰仪表测控系统的干扰源主要有电力网络和电气设备的暂态过程、雷电等引起空间的辐射干扰和系统电源线、信号引线、接地等引起的系统外引线干扰。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，或者人为因素，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，严重时可能引起卡件故障。

　4） 在运行过程中，卡件发出的采集信号长时间接地，形成的接地电流超过允许值，导致通道损坏。

以上这几种传导干扰中，由于现代仪控系统自身的设备状态都有保障，因此，由于绝缘材料老化或设备烧坏等原因引起的干扰较少出现，而由于接地引起的干扰较为常见，也比较难以捉摸，应该给予足够的重视。

（2）电容电感耦合干扰

工业控制系统有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中，导线之间形成相互耦合是通道干扰的主要原因之一

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。另外，在交变信号电缆的周围会产生交变的磁通，而这些交变磁通会在并行的导体之间产生电动势，这也会造成线路上的干扰。

（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，电动机的启动、开关的闭合产生的火花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，也可能通过在电源电缆上耦合产生高频干扰，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。

从以上所述，我们可以总结出各种干扰源（噪声源）对测量装置及检测系统产生干扰电流（电压），需同时具备三个要素：⑴干扰源；⑵传播途径；⑶接收器。

3 通用的抗干扰技术

已知装置控制系统需要“三要素”同时满足才会受到干扰，因此只要消除三个要素中任意一个，干扰就不存在了，因此消除和减弱噪声干扰的方法亦应针对三项因素采取措施，即：⑴消除或抑制噪声源；⑵阻截干扰传递途径；⑶增强仪表电路自身的抗干扰能力。随着装置的自动化水平日益提高，智能化仪表的普遍应用，以上几种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，仪表测控系统安全水平大大提高。

3.1 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

3.1.1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。譬如　　

3.1.2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，对于信号频率较高的（100KHZ）信号推荐两端接地。

3.2接地按其作用可分为保护性接地和功能性接地。

3.2.1保护性接地

放电击接地：为了防止电气设备绝缘损坏或产生漏电时，使平时不带电的外露导电部分带电而导致电击而将设备外露导电部分接地，称为放电击接地。这种接地，也是通常的狭义的“保护接地”，它又分为保护导体接地（PE，也称为保护接地），和保护中性导体接地（PEN，也称为保护接零）两种。

3.2.2防雷接地：：将雷电导入大地，防止雷电流、雷磁场使设备受到损害。

3.2.3防静电接地：将静电导入大地，防止雷电流、雷磁场使设备受到损害。

3.2.4放电蚀接地：地下埋入金属体作为牺牲阳极或阴极，防止电缆、金属管等受到电蚀。

3.3功能性接地

3.3.1逻辑地：也称为电源地，逻辑地一般可以在机柜内以星型方式联结到一点，该点一般也是与机柜绝缘的汇流条。通常，逻辑地可与屏蔽地共用汇流条。

3.3.2屏蔽接地：将电气干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰对电子设备的影响，同时也可减少自身对外的干扰。

3.3.3本安接地：保证系统向防爆区传送的能量在规定范围以内，将安全栅等设备安全地连接到供电电源的零电位点。

良好的接地是使工业控制机系统稳定运行、消除干扰的重要措施。如果应用得法，可以明显提高系统的抗干扰能力

3.4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，他有点刺痛感应定律决定，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。

3.4软件抗干扰技术：工业现场的复杂环境硬件抗干扰措施无能为力，譬如工控机死机了或者控制出错了。这将给生产带来严重后果，因此使用软件抗干扰措施避免和减轻这些意外事故犹为重要。通常使用的软件抗干扰技术有：实时控制软件运行过程中的自监视法、实时控制系统的互监视法和重要数据备份法。

4 防止干扰和设备损坏的一般方法

硬件抗干扰技术是系统设计时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。 若硬件措施得当，可以将绝大多数干扰拒之门外，常用的硬件设计抗干扰措施如下

4.1系统电源

系统电源应该有冗余，各路配电模件应该有独立的截峰二极管（过压）、自动断路器（过流）等保护。DCS系统接地点和动力强电系统接地如果共地，接地电阻必须≤1Ω，DCS如果单独接地,接地电阻≤4Ω，DCS供电要尽量来自负荷变化小的电网上。要严格防止强电通过端子排线路串入24VDC供电回路，并定期检查机柜电源系统是否正常、供电电压是否在规定范围内、系统接地是否可靠、良好、线路绝缘是否合格，停、送电按要求程序执行.此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是DCS控制理想电源。通过以上工作，这方面的风险就可以有效避免。

4.2电缆敷设

4.2.1信号分类

在DCS工程项目中常见的信号可以作如下分类:

Ⅰ类信号:热阻信号、热电偶信号、毫伏信号、应变信号等低电平信号

Ⅱ类信号：0～5V、1～5V、4～20mA、0～10mA模拟量输入信号；4～20mA、0～10mA模拟量输出信号，电平型开关量输入信号；触点型开关量输入信号；脉冲量输入信号；24VDC小于50mA的阻性负载的开关量输出信号。

Ⅲ类信号：20V～48VDC感性负载或者电流大于50mA的阻性负载的开关量输出信号。

Ⅳ类信号：110VAC或110VAC开关量输出信号，此类型号的馈线可以视作电源线处理布线问题。

其中，Ⅰ类信号很容易被干扰，Ⅱ类信号容易被干扰，而Ⅲ类和Ⅳ类信号在开关动作瞬间会成为强烈的干扰源，通过空间环境干扰附近的信号线。

对于Ⅰ类信号必须采用屏蔽电缆，最好是屏蔽双绞电缆；Ⅱ类信号尽可能采用屏蔽电缆，其中用于控制联锁的模入模出信号、开入信号，必须采用屏蔽电缆，最好是屏蔽双绞电缆；Ⅲ类信号允许与220V电源线一起走线，也可与 Ⅰ、Ⅱ一起走线，但后者情况Ⅲ类信号必须采用屏蔽电缆，最好为屏蔽双绞电缆，且与Ⅰ、Ⅱ类信号电缆相距150mm以上。条件允许的情况下，Ⅰ～Ⅳ类信号尽可能采用屏蔽电缆或屏蔽双绞电缆，必须保证屏蔽层只有一点接地，且接地状态良好。（1）使所有的信号线很好地绝缘，使其不可能漏电，这样，

防止由于接触引入的干扰；

4.2.2正确敷设电缆的前提是对信号电缆进行正确分类，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），使模拟信号部分，相互间的信号耦合为最小。

4.2.3 禁止大功率的开关量出线信号、电源线、动力线等电缆与直接进入DCS系统的Ⅰ、Ⅱ类信号电缆并行捆绑，这些线的电缆与信号电缆之间的距离应该大于 600mm。建议单独走线。绝对禁止多芯电缆中部分芯传输Ⅰ或Ⅱ类信号其它芯用于传输Ⅲ类或Ⅳ类信号。严禁同一信号的几芯线分布在不同的几条电缆中。当动力线和信号线平行敷设时，两者必须保持一定的间距，不同信号辐值的信号线不宜穿在同一导线管内。在采用金属汇线槽敷设时，不同辐值导线、电缆与电力线需用金属隔板隔开。

信号回路必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。

4.2.4仪表信号电缆与电力电缆交叉敷设时，宜成直角，与电力电缆平行敷设时，两者之间的最小距离应符合下表的规定：

4.3线缆敷设的防雷要求

年平均雷暴日超过40d／A的地区，控制系统线缆的敷设必须考虑有关的防雷措施。

4.3.1 不能使用非金属的汇线桥架，采用金属或金属网屏蔽的汇线桥架时，应保证桥架间有良好的电气连接，并必须在桥架两端接地，如果桥架距离较长，应每隔30米设一个接地点，桥架的接地宜采用等电位连接，也允许就近与第有良好接触的金属设施连接。

4.4信号隔离

　　对于模拟量输入输出（AI/AO）回路，要防止从现场来的强电串入卡件，以及就地设备与DCS系统不共地可能产生的电势差。重要回路应该采取信号隔离器。对于数字量输入输出（DI/DO）回路，常用的解决方法就是对DI/DO信号采用继电器隔离。比如对于一个马达控制关反馈输入回路：现场的常开接点闭合时，继电器线圈带电，输出接点闭合，接点信号引入开关量采集卡件。这样，强电就不会串入卡件的信号回路，发生故障时，也主要检修隔离的外回路。采用继电器进行信号隔离的缺点是：需要给外回路添加供电回路；采用电磁隔离和光电隔离技术的开关量隔离器，可以减少为外回路供电的工作量。。

4.5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

4.5.1算术平均值法

对于一点数据连续采样多次，计算其算术平均值，以其平均值作为该点采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。一般3～5次平均即可。

4.5.2比较取舍法

当控制系统测量结果的个别数据存在偏差时，为了剔除个别错误数据，可采用比较取舍法，即对每个采样点连续采样几次，根据所采数据的变化规律，确定取舍，从而剔除偏差数据。例如,“采三取二”即对每个采样点连续采样三次，取两次相同的数据为采样结果。

4.5.3中值法

根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况，对一个采样点连续采集多个信号，并对这些采样值进行比较，取中值作为该点的采样结果。

4.5.4一阶递推数字滤波法

这种方法是利用软件完成RC低通滤波器的算法，实现用软件方法代替硬件RC滤波器。一阶递推数字滤波公式为Yn=QXn+(1-Q)Yn-1式中Q -数字滤波器时间常数；Xn－第n次采样时的滤波器输入；Yn－第n次采样时的滤波器输出。采用软件滤波器对消除数据采集中的误差可以获得满意的效果。但应注意，选取何种方法应根据信号的变化规律选择。

4.5.5逻辑错误检测

在系统正常运行时，控制器的输入、输出信号和内部的信号（如辅助继电器的状态）相互之间存在着确定的关系，如出现异常的逻辑信号，则说明出现了故障。因此，可以编制一些常见故障的异常逻辑关系，一旦异常逻辑关系为 ON状态，就应该按故障处理。例如我厂三胺装置的压缩机系统润滑油控制油压力开关有两个限位开关动作，这两个信号不会同时为ON状态，若它们同时为ON，说明至少有一个限位开关被卡死，应停机进行处理。在梯形图中，用这两个限位开关对应的输入继电器的常开触点串联，来驱动一个表示限位开关故障的辅助继电器

4.5.6延时确认

对于开关量输入，可采用软件延时20ms，对同一信号作两次或两次以上读入，结果一致才确认输入有效。

4.5.7封锁干扰

某些干扰是可以预知的，如控制器的输出命令使执行机构（如大功率电动机）动作，常常会伴随产生火花。电弧等干扰信号，它们产生地干扰信号可能使DCS接收错误的信息。在容易产生这些干扰的时间内，可用软件封锁可编程序控制器的某些输入信号，在干扰易发期过去后，再取消封锁。 　　　5 其它

在正常维护和检修过程中应严格遵守自动化仪表的检维修规定，遵照相关的操作规程、规范进行作业，养成良好的作业习惯，以避免人为造成不良后果。　

5.1进入系统机规室，应穿防静电工作服，触摸卡件、模块时，必须带静电释放腕套，从机架上拆下的卡件要放在接地良好的防静电毡上，不要随意摆弄。

5.2检修中，拆下来的无论电源线或是仪表信号线应做好绝缘及标识。

5.3 在机柜室内严禁使用手机、对讲机等对控制系统有干扰的电子设备。

5.4 保证控制室的清洁卫生，若外围环境较恶劣（如粉尘等），可考虑向控制室内通洁净、干燥的仪表风，以保证控制室内微正压。

案例

某30万吨复合肥装置，在试车过程中发现，202斗提机高料位开关经常误动作，造成系统联锁保护停车，经现场检查发现当斗提机正常运行时料斗上的物料由于过多不时落下，碰到高料位开关，促成有高料位的假象，导致系统联锁保护。针对这一现象，技术人员在DCS联锁组态中，给此料位开关增加了4s的延时输出，因此当散落物料偶然碰到高料位开关时，高料位的信号到DCS不会立即参与联锁，而是保持4s，若延时过去后任然报警则立即参与联锁停车。这一措施起到了显著的效果，减少了“假信号”对系统的影响，保证了装置的稳定运行。

结束语

工业控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使DCS控制系统正常工作。

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