霍小剛

【摘 要】 本文主要針對干擾的理論概述、工業(yè)控制自動化系統(tǒng)干擾源的種類以及自動化控制系統(tǒng)抗干擾方法進行簡要分析，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】 自動化控制系統(tǒng)；抗干擾；方法

一、干擾的理論概述

1、定義

干擾的概念是在體系正常作業(yè)過程中，由體系內(nèi)部或外部發(fā)生了影響其正常作業(yè)的要素。在自動化控制體系中，干擾即是使體系傳輸信號發(fā)射發(fā)生改變的要素然后使信號數(shù)據(jù)在承受后無法體現(xiàn)實在的狀況，然后致使呈現(xiàn)過錯的操作，容易發(fā)生嚴重的結(jié)果。

2、干擾形成要素

干擾由三有些構(gòu)成干擾源、干擾傳達路徑和干擾的接受體。干擾源是指能夠發(fā)生干擾信號的設備，這些設備自身能夠發(fā)射一些干擾信號腸口如無繩電話、變壓器等設備。干擾傳達路徑是在干擾信號發(fā)生后通過必定的前言才能得以傳達。例如干擾信號能夠通過空氣傳達也能夠通過導線傳達。干擾的接受體是指設備的某個對干擾信號較為靈敏的部位在接受了信號后會對設備發(fā)生必定的影響。

二、工業(yè)控制自動化系統(tǒng)干擾源的種類

通過以上對干擾理論的概述可以看出干擾是由三部分構(gòu)成的只要將其中的一個消除，就可以達到抗干擾的目的。因此，以下對工業(yè)控制自動化系統(tǒng)的干擾源種類進行分析，從源頭上對干擾進行控制。

1、電網(wǎng)干擾

全部工業(yè)體系的正常運轉(zhuǎn)離不開電網(wǎng)，最理想化的電網(wǎng)運轉(zhuǎn)應該是十分安穩(wěn)的不過在真正運轉(zhuǎn)過程中，電網(wǎng)中一些區(qū)域設備的運轉(zhuǎn)和中止、電網(wǎng)負載發(fā)生了升高和下降、一些關(guān)鍵元件和開關(guān)的改變都會使電網(wǎng)運轉(zhuǎn)發(fā)生一定的不安穩(wěn)改變，從而發(fā)生電網(wǎng)的干擾。電網(wǎng)干擾會影響自動化體系的正常運轉(zhuǎn)使程序遭到損壞，而因而形成的丟失往往是無窮的。

依據(jù)查閱文獻資料得知一般每年有大概多半的工業(yè)操控自動化體系的問題是因為電網(wǎng)干擾形成的。所以電網(wǎng)干擾是一項十分重要的干擾源要對其予以充沛的注重，尤其在工業(yè)企業(yè)中存在施工行為時更要嚴格地操控施工對電網(wǎng)發(fā)生的干擾。

2、信號傳輸線干擾

工業(yè)操控自動化體系需求很多的傳輸線來履行信息搜集和設備操作在這些很多的信號傳輸線中，假如沒有對信號傳輸線的安置予以注重將眾多的信號傳輸線與電纜或電源線走同一個線路通道時十分容易對信號傳輸線發(fā)生干擾，從而使干擾信號進入到承受設備中使承受設備遭到干擾影響。

3、接地干擾

一般自動化控制系統(tǒng)的設備需求進行接地處理，以下降遭到電磁干擾的程度，而且可以削減對外宣布干擾信號?？墒?，在實踐中自動化設備的接地線眾多加果在接地過程中發(fā)作錯誤時，例如發(fā)生短路電流往往會經(jīng)過接地線向設備中傳輸很多的干擾信號，從而使設備的運行遭到嚴峻的接地干擾，嚴峻影響自動化控制系統(tǒng)的運行。

4、輻射干擾

自然中自身存在很多的干擾源，例如太陽的電磁風暴、雷電等并且目前現(xiàn)代科技的傳輸手法很多順口如電磁波、微波等傳輸方法無處不在也會有必定的干擾效果，另外在工業(yè)操控自動化設備相互之間也會發(fā)生輻射干擾。所以空間中存在很多的輻射通常會對自動化體系發(fā)生干擾影響，影響的程度與遭到的輻射強度和頻率有關(guān)。

三、如何提高控制系統(tǒng)在工程應用時的抗干擾技術(shù)

電纜的靜電屏蔽和電磁屏蔽在控制系統(tǒng)中線纜非常重要因為它在控制系統(tǒng)中最長，容易通過近場的耦合干擾控制系統(tǒng)，并且它還像一根拾取和輻射噪聲的天線。所以用屏蔽來抑制線纜的靜電感應和電磁感應是抗干擾的方法之一。

1、電容性耦合的抑制

靜電屏蔽：當受感應導線的外層包上屏蔽層以后那么感應的噪聲電壓便作用在屏蔽層上，我們在為屏蔽層提供一個良好的接地那么屏蔽層上的電壓為零所以受感應導體上的噪聲電壓也為零，所以有效的抑制了電場的耦合。所以我們在工業(yè)現(xiàn)場無論是電源電纜或是信號電纜都應采用屏蔽電纜。

2、電感性耦合的抑制

電感性耦合即為線路間磁場的相互作用。在這里我們主要談談采用電磁屏蔽，包括雙絞電纜和同軸電纜的使用。

2.1對作為噪聲源的導線施行電磁屏蔽

如果我們對一段導線增加屏蔽那么電流流過后，全部通過導體的屏蔽體返回到干擾源。由于流過屏蔽體上的電流產(chǎn)生磁通量，且與導體產(chǎn)生的磁通量大小相等方向相反，這樣在屏蔽體的外面，不存在磁通量，既這段導線被屏蔽了。但是在低頻時不宜兩端接地。

2.2對作為信號線路施行電磁屏蔽

信號線路防外界磁場干擾的最好方法是減少接收環(huán)路的面積以減少干擾磁場對接收環(huán)路產(chǎn)生的磁通量密度。對于減少接收環(huán)路面積只有加屏蔽體兩端接地才可以做到，才有電磁屏蔽作用，但是這種情況下電流的頻率不宜太低。

2.3.雙絞線的電磁屏蔽原理及應用

雙絞線本身是一種電磁屏蔽形式。對作為噪聲源的導線實施電磁屏蔽。圖1是雙絞線作為噪聲源實施電磁屏蔽的原理圖。當雙絞線中有電流流過時在導線絞合所組成的很小的環(huán)路內(nèi)產(chǎn)生相應的磁通。而在環(huán)路外由于兩邊導線流過的電流方向相反，產(chǎn)生的磁通方向相反從而大部分磁通被抵消。這種方式常用于供電線路上。

圖1

對信號線實施電磁屏蔽。圖2是雙絞線信號線實施電磁屏蔽的原理圖。當雙絞線在噪聲的磁通中每根導線均被感應出感應電流，其感應方向如圖2所示。這樣同一根導線在相鄰兩個環(huán)的兩段上流過的感應電流大小相等方向相反，從而被抵消。所以在總的效果上，導線并沒有產(chǎn)生感應電流。

圖2

2.4同軸電纜和屏蔽雙絞線。

同軸電纜是一種用金屬編織網(wǎng)作屏蔽的電纜，在很大的范圍內(nèi)，具有均勻不變的低損耗的特性阻抗，可用于高頻乃之超高頻的頻段。無論是屏蔽雙絞線，或者同軸電纜，為了抑制電容性耦合，一般是單端接地，通常是在控制室側(cè)接地。

四、控制系統(tǒng)的接地

從電氣角度來看，大地具有導電性且有無限大的容電量，所以我們可以把大地作為一個等電位點或者等電位面。接地的作用有兩點：保護人身和設備安全，如保護地、防雷地、防靜電等。抑制干擾，如工作地、屏蔽地、模擬地、數(shù)字地等。下面我們來分析幾個例子。

1、不屏蔽接地干線會帶來干擾

現(xiàn)象：有DCS系統(tǒng)采用單獨接地，但信號總是不穩(wěn)定。

原因：經(jīng)過現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，其接地干線長數(shù)十米，從樓頂沿外墻敷設到接地體，沒有穿管屏蔽，過長的接地干線，如果沒有屏蔽措施，接地干線也象是一根天線，可以接受大量的干擾信號，使控制系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作，乃至系統(tǒng)卡被燒毀。結(jié)論：接地干線應愈短愈好，必要時也應該采取屏蔽措施

2、和其它接地系統(tǒng)要保持一定距離

現(xiàn)象：某DCS采用單獨接地，發(fā)現(xiàn)信號干擾很大。原因：DCS系統(tǒng)的單獨接地體和原有的接地網(wǎng)相距不到5m。結(jié)論：若DCS采用單獨接地，其接地體和電氣接地網(wǎng)相距必須大于5m，和防雷接地體相距必須大于20m。

3、等電位接地也要考慮接地引入點的位置

現(xiàn)象：有DCS系統(tǒng)采用等電位接地，但信號中常常出現(xiàn)信號不規(guī)則的波形。原因：離DCS的接地引入點不到幾米處有大功率電動機的接地點。結(jié)論：要保持和防雷地、大電流高電壓設備的接地點有不小于10m的距離。

五、控制系統(tǒng)的雷電防護

雷電對控制系統(tǒng)侵害的途徑：靜電感應、電磁感應、反擊、電磁場輻射等。

雷電電脈沖的基本防護措施：屏蔽：屏蔽分為電纜的屏蔽和控制室的屏蔽。

1、電纜的屏蔽

許多行業(yè)規(guī)范對屏蔽電纜的接地，原則上是一端接地另一端不接地。但是單端接地只能防靜電感應抑制不了電磁感應所產(chǎn)生的干擾。所以延伸出了信號傳輸線的雙層屏蔽，電纜采用雙層屏蔽，兩個屏蔽層的層與層之間是絕緣的，內(nèi)層單端接地，抑制電容性耦合；外層兩端或多端接地，抑制電感性耦合。雙層屏蔽電纜的外屏蔽層可采用下述方法實現(xiàn)：鎧裝電纜的鎧裝層；敷設電纜的金屬線槽、金屬管等；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電纜溝。

2、控制室的屏蔽

控制室的屏蔽方式大體有建筑物的自身屏蔽、金屬網(wǎng)格的格柵型大空間屏蔽以及金屬板材圍成的殼體屏蔽等。殼體屏蔽的屏蔽效果最好，但投資也很大，適用于實驗室裝置。建筑物自身對屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格柵型大空間的屏蔽可以通過選擇網(wǎng)格寬度的大小來滿足控制系統(tǒng)的需要，平衡投資的大小和效果的好壞，格柵型大空間的屏蔽最為理想。合理布線：A減少感應環(huán)路面積以減小互感，從而抑制干擾的電感性耦合。B和引下線保持一定距離。浪涌保護器：浪涌保護器是一種限制瞬態(tài)過電壓和分流浪涌電流的器件。其基本原理是，它并接在被保護設備的附近，在沒有浪涌出現(xiàn)時為高阻抗，當出現(xiàn)浪涌時就在很短的時間內(nèi)（ns級）將雷電流釋放到地使浪涌保護器變?yōu)榈妥杩梗瑥亩Ｗo了被保護設備。接地和等電位連接：防雷工程的接地系統(tǒng)用于雷電流的釋放；抑制雷電電磁脈沖的電磁感應和靜電感應；將分開的儀表裝置通過等電位連接，以減少控制系統(tǒng)的設備在金屬構(gòu)件與設備之間或設備與設備之間因雷擊產(chǎn)生的電位差。

六、控制室的靜電防護

靜電在工程中的應用：靜電除塵、靜電噴涂、靜電凈化、靜電復印等。

1、靜電放電的特點

由于靜電放電的時間是ns級的峰值電流可達數(shù)十安培，所以說瞬間的功率十分巨大。由于電流波形的上升時間很短，即di/dt很大，所以可以感應出幾百伏乃至上千伏的高電位，從而產(chǎn)生出強電場。由于電流脈沖上升時間極快，持續(xù)時間極短，所以產(chǎn)生的靜電放電電磁脈沖其能量足以使電子部件中敏感元件損壞。

2、控制室靜電防護的基本措施

防止控制系統(tǒng)和電路不受靜電放電的干擾和破壞，控制室的設計即靜電防護工作區(qū)的建立應采取的基本方法，一般有：抑制干擾源，減小或消除源頭上的靜電積累。防止靜電的產(chǎn)生是最徹底的方法，從產(chǎn)生靜電的原理看，應該從降低有關(guān)物體的絕緣度著手，使兩物體即使摩擦也不產(chǎn)生或少產(chǎn)生靜電。鋪設具有一定電阻率的防靜電地面，它不僅可以導出人體靜電，也為活動的設備提供了靜電接地的條件。操作人員宜穿防靜電制服。防靜電制服通常是由導電纖維或經(jīng)抗靜電改性的織物制成。用于防止人體靜電的積累。操作人員穿防靜電鞋也是一種可行的措施。因為人是導體，在人體靜電防護中最主要的措施是保證人體始終靜電接地。控制柜以及電纜的屏蔽層都必須保持良好的接地。設置溫、濕度控制。

七、輻射抗干擾對策

對于空間中大量存在的輻射干擾腔制輻射的源頭和傳播途徑是不可能的因此，只能在接受設備上進行分析。根據(jù)電磁屏蔽的原理采取一定的方法來屏蔽輻射是最可行的辦法，可以制作封閉的金屬罩將重要的設備放置在金屬罩中，形成一個屏蔽的空間避免受到外界的輻射干擾。另外，可以利用發(fā)射具有屏蔽作用的金屬電渦流，來產(chǎn)生屏蔽高頻率的干擾場。在實際應用的過程中，可以將這兩種方法相結(jié)合，以此來控制輻射的干擾。

八、軟件抗干擾措施

所謂軟件抗干擾措施就是通過程序設計手段來排除電磁干擾可能造成的自動化控制系統(tǒng)誤動作。這里列舉幾個簡單的例子加以說明。

1、觸點抖動的消除

對于外部輸入設備可能產(chǎn)生的觸點顫動，如按鈕、繼電器、傳感器等的輸入信號，可通過延時加以消除，對一些可持續(xù)一定時刻的脈沖干擾，也能夠采納這種方法加以消除。在挑選時刻設定值時，應使其大于觸點顫動間隔時刻或干擾脈沖持續(xù)時刻。

2、可測干擾信號的抑制

關(guān)于可通過一定方法測出的短時干擾信號，如大電感負載斷開時發(fā)生的干擾信號，可通過檢查設備將干擾信號發(fā)生的時刻由接點的方式告訴控制系統(tǒng)，然后由控制系統(tǒng)的JMP/JME指令屏蔽輸入信號，即有干擾信號效果這段時刻，不收集輸入信號。

3、漏掃描檢測

在編制應用程序時，可將程序分紅若干段，在每段程序的尾部加一個段查看節(jié)點。每次掃描后，若是各段程序都現(xiàn)已被有效地掃描過，則此時應當給出準確信號，然后繼續(xù)執(zhí)行下一道程序和指令；如果有某段漏掃描，則宣布警告信號并進行預先規(guī)定的處理。

4、互鎖診斷

繼電器、接觸器等動合、動斷觸點，不論其動作與否，總是呈互鎖狀態(tài)，即一對閉合，一對斷開，若同時閉合或斷開則為故障狀態(tài)，必須加以妥善處理。

在進行故障診斷時，對能夠猜測的干擾信號，總能夠找到處理的辦法。但有些干擾信號形成的毛病則很難事前預知，這就要求在軟件及硬件設計時，全部思考體系的抗干擾辦法。并且還要思考到，軟件控制的控制體系中，因為軟件與硬件的相互作用，有些故障很難判別出到底是硬件導致的仍是軟件導致的，也就是說，在利用軟件容錯和冗余技術(shù)進行抗干擾時，軟件和硬件毛病有必要結(jié)合起來思考。有些硬件毛病能夠經(jīng)過軟件發(fā)現(xiàn)并自動采取修正及補救辦法。有時有用硬件來監(jiān)視軟件作業(yè)的預備性。把控制體系的軟、硬件結(jié)合起來處理電磁干擾問題，是自動化控制體系的優(yōu)越性之一。

結(jié)束語：

隨著科技的發(fā)展和工業(yè)化進程的逐步加快，自動化控制系統(tǒng)將會得到更加廣泛的應用。希望通過本文的研究，能夠為工業(yè)控制自動化系統(tǒng)的抗干擾研究提供一些參考和借鑒從而使自動化控制系統(tǒng)能夠更好地發(fā)揮作用推動我國工業(yè)化的進一步發(fā)展。

參考文獻：

[1]蔣祝喜.淺析工業(yè)控制自動化系統(tǒng)的干擾源及解決對策[J].技術(shù)與市場，2014，01：25-26.

[2]周有為.工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的干擾及預防措施[J].科技創(chuàng)新與應用，2014，15：90-91.

[3]蘇文德.工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)分析[J].電子世界，2014，08：275-276.

[4]及旺華.控制系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)[J].科技資訊，2014，11：90+92.