抑制信號干擾的方法研究和應用

葉國滿，屠士鳳，林 晨，王世云，丁俊宏

（1.浙能樂清發電有限責任公司，浙江 樂清 325609；2.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

發電廠廠區現場線路密布，設備啟停頻繁，存在嚴重的電場和磁場干擾源。處于這種環境中的熱控系統設備及電纜，經常會受到控制回路自身、電磁耦合、靜電感應或接地線電位波動產生的干擾。這些干擾輕則會引起設備誤發報警信號，降低系統可靠性，重則導致設備不能正常運行或損壞，甚至引起機組跳閘，因此提高控制系統抗干擾水平和人員對干擾故障的快速處理能力，對熱控專業來說尤為重要。

1 干擾信號處理

1.1 干擾信號檢查與軟件處理

1.1.1 脫硫凈煙氣流速跳變現象檢查

樂清發電廠的2號機組C修和3號機組A修期間，分別對2號和3號機組的脫硫凈煙氣流量測量裝置進行了改造。改造結束投入運行后，發現凈煙氣流速均存在跳變現象。

凈煙氣流速計算方法為：就地3只差壓變送器及壓力和溫度測量信號送入PLC（可編程邏輯控制器）控制系統，經壓力和溫度補償后計算其流速，計算公式為：

式中：V為被測氣體流速；K為風量測量裝置流量系數，取0.75；ΔP為風量測量裝置輸出差壓；t為被測氣體溫度；Px為被測氣體管內壓力。

檢查PLC控制柜輸入/輸出信號屏蔽線，確認單端接地情況良好。查看歷史曲線，發現流速信號和溫度補償信號同時跳變，經試驗確認是溫度補償信號跳變引起流速信號跳變。

1.1.2 脫硫凈煙氣流速信號干擾的軟件處理

對2號、3號機組的凈煙氣溫度信號記錄曲線進行分析，發現溫度通道檢測到的尖峰出現時間雖然很短，僅幾毫秒，但若尖峰出現在信號采集的時段內，就會造成流速信號跳變。因此，采取在PLC控制柜的信號電纜上套裝磁環、溫度信號輸入端加電容等措施，但效果均不明顯。查看就地熱電阻元件，發現有螺絲松動，但更換元件后也沒有效果。經分析研究后，決定修改PLC控制軟件，通過編程實現濾波，在溫度信號尖峰出現的瞬間不采樣，保持之前的測量值輸出，以消除溫度尖峰信號的干擾。

處理后，溫度信號顯示跳變情況未再發生，凈煙氣流速信號跳變情況也隨之消除。

1.2 信號異常波動現象的檢查和處理

某日，機組正常運行中，3號機組脫硫系統2號增壓風機液壓油箱油溫信號出現波動，查找及處理過程如下：

（1）經檢查，干擾信號來自2號增壓風機液壓油箱，現場檢查發現信號電纜屏蔽層未接地，在控制柜對該信號電纜屏蔽線作接地處理后，信號仍有波動。

（2）現場側用電阻箱加信號試驗，屏蔽電纜屏蔽層接地和不接地2種方式下，信號仍有波動。

（3）在2號增壓風機液壓油箱油溫控制柜輸入端加0.033 μF電容，信號波動現象消除。

2 消除信號干擾的軟/硬件方法

發電廠現場的熱工測量與控制設備處于隨時可能出現強電場和強磁場的環境，其輸出或接收的模擬量及開關量信號通過密布的電纜連接控制系統。為了避免或降低信號干擾，熱控人員要熟悉和掌握提高系統抗干擾能力的方法，采取主動預控措施，一旦發生干擾就能迅速查找并予以解決。信號干擾故障的常用處理有以下幾種。

2.1 利用軟件消除干擾的方法

通過軟件處理干擾信號的特點是：簡單易行、修改靈活、不需要增加硬件、節省資源，因此采用軟件抗干擾技術作為硬件措施的輔助手段來抑制干擾信號，可以取得很好的效果。

2.1.1 延遲濾波比較法抑制模擬量信號干擾

對于模擬量信號的周期性干擾，通過延遲濾波比較法進行抑制可以取得較好的效果，組態邏輯見圖1。正常情況下，模擬量輸入信號（IN）經過一階延遲濾波后直接輸出（OUT），即OUT=IN；當有干擾信號時，輸入信號IN經過一階延遲濾波后與含有干擾信號的IN信號相減，取絕對值與最大偏差值HL進行比較，若大于或等于HL的預設值，OUT1=1，延遲濾波器LG切換至跟蹤狀態，此時OUT保持干擾發生前的采樣值IN，直到干擾信號減弱，OUT1=0，OUT=IN。該邏輯的缺點是一階延遲濾波時間time會影響信號的靈敏度。

圖1 延遲濾波比較法組態邏輯

2.1.2 信號變化速率及壞點閉鎖邏輯

圖2是目前在某些DCS系統中采用的信號變化速率保護邏輯。信號回路正常情況下，輸入信號大于保護定值H1時將發出保護跳閘信號。當信號回路不正常時，判斷信號為壞點，屏蔽保護動作輸出信號；當信號的變化率超過設定的限值H2時，SR觸發器置1，保護動作被閉鎖；測點故障消除后保護閉鎖解除，保護重新投入運行。只要信號變化率的限值H2設置合適，在干擾、斷線情況下，該邏輯能夠有效防止保護誤動。該邏輯的缺點是：報警手動復歸連接的模塊如采用或門，速率大報警信號將隨著信號回歸而消失，運行中速率保護動作可能被運行或熱工人員所忽視。如采用與門，速率保護動作后要由運行人員手動復歸，才能使保護重新投入運行，存在保護不能及時投入的可能。如將邏輯修改成如圖3所示，則上述缺點可以避免。該邏輯在信號回歸后，速率保護自動恢復投入，而報警信號則需要人工手動復歸才能消失，以提醒運行或熱控人員進行原因分析與查找。

圖2 信號變化速率及壞點閉鎖邏輯

使用該邏輯作為熱電阻信號速率保護時，還要注意熱電阻輸入通道模塊內通常要設置一階濾波時間參數，若該時間參數設置過大，即使輸入溫度信號有較大變化，該模件輸出變化也可能變緩慢，此時若使用如圖3所示的邏輯作為溫度變化率邏輯，將失去控制意義。故組態時需修改系統默認的一階濾波時間參數，將其設置成較小的值或0。

圖3 修改后的信號變化速率及壞點閉鎖邏輯

2.1.3 計數器法抑制數字量輸入信號干擾

數字量輸入的信號干擾可以利用計數器法進行抑制，組態邏輯如圖4所示。當外部有輸入信號IN，控制系統重復采集連續的脈沖個數達N（一般情況下取2）且采集結果完全相同時才視為有效，計數器輸出使RS觸發器輸出即OUT為1；當外部輸入信號IN由1變成0時，非門輸出1，RS觸發器的復位端R為1，將RS觸發器的輸出復位成0。而當有瞬間干擾脈沖時，計數器CON將采集不到連續的N個完全相同的脈沖（即多次采集的信號總是變化不定），CON計數器無法輸出。由于計數器響應速度較快，可對周期性的瞬時干擾起到一定的抑制作用，但不能消除超過CON計數器采樣時間的干擾。在滿足實時性要求的前提下，在各次采集數字信號之間插入一定的延時，數據的可靠性將進一步提高。如果系統實時性要求不是很高，建議指令重復周期盡可能長。

圖4 計數器法抑制數字量干擾信號

2.2 消除干擾的硬件方法

通過加硬件設備的方法來處理傳導干擾時，通常采用試湊法，給信號發生源及被干擾設備的信號或電源線等安裝濾波、隔離、瞬間泄放等元器件，以消除、降低或阻止傳導干擾的傳輸。

（1）對于共模轉串模造成的干擾，可采用線纜通過電容接地（22～220 μF）的方式； 對于電磁感應造成的串模干擾，可以采用信號回路間加濾波電容（約0.033 μF）的方式。開始時先試接小容量，如有效果可逐步增加容量。對于電磁場耦合干擾，可在控制系統輸入信號芯線上套裝合適的磁環，如有效果再逐個增加磁環。在加大電容量或磁環個數過程中，一旦發現信號出現衰減，就應減少當前的電容容量或磁環個數。

（2）在防雷擊區域或露天安裝的變送器、執行機構等設備或DCS通道，可采用在信號通道輸入端加裝防浪涌保護器、壓敏電阻或齊納二極管和電容組合方式，發生雷擊時能快速響應并限制過電壓，有效保護儀表設備或DCS通道。

（3）當PLC的輸入或輸出端連接感性負載時，為抑制電路電弧對PLC的干擾，可在直流感性元件兩端并聯續流二極管，并注意額定電流和電壓的選擇。在交流感性元件兩端可并聯浪涌抑制器，也可用電阻（51～120 Ω）和電容（0.1～0.47 μF）串接，電容的額定電壓應大于電源峰值電壓。

（4）若控制回路中使用接近開關、光電開關作輸入信號源，由于這類傳感器的漏電流較大，可能出現錯誤的輸入信號，此時可在控制系統的信號輸入端并聯旁路電阻，以減少輸入電阻。

（5）在測量精度和系統誤差允許范圍內，對電位差形成的對地環路、高頻和低頻干擾、電氣進入DCS的信號和必須在現場端接地的變送器等傳感器，可在測量回路加裝信號隔離器，利用通道隔離技術切斷外部干擾竄入輸入/輸出通道的渠道。建議采用無源隔離器，否則，在電源容量允許的前提下，隔離器電源應該與對應的測量或控制儀表采用同一電源，并保證不引起信號失真。

（6）有雷擊侵入危險的輸入通道，可用自恢復保險絲（正溫度系數的熱敏電阻）代替電流保險絲，既能阻止雷擊瞬間的電流侵入，也可免除經常更換的麻煩。

3 結語

電力生產中不可避免地會遇到各種各樣的信號干擾，必須充分了解干擾產生的機理，掌握提高系統抗干擾能力的具體措施和消除或降低干擾影響的途徑，在控制系統的安裝調試和檢修維護過程中不斷積累經驗，確保設備在復雜電磁環境下可靠運行。

[1]徐義亨.工業控制工程中的抗干擾技術[M].上海：上?？茖W技術出版社，2010.