工業自動化控制系統的干擾及預防措施

周有為

摘 要：自動化控制系統在當前國內工業現代建設過程中發揮著非常重要的作用，同時其自動化程度、控制系統自身的安全可靠性，關系著企業的生產經濟發展，同時其穩定抗干擾也關系著整個系統的運行質量和效率。文章結合大量的工程設計經驗，分析了工業自動化控制干擾源，并在此基礎上提出了有效的抗干擾措施，從而提高自動化控制系統在工業控制中的可靠性。

關鍵詞：自動化控制系統；干擾源；措施

隨著科學技術的發展和工業自動化水平的不斷提高，網絡化、自動化的控制技術廣泛的應用在工業控制系統中，大大的降低了勞動強度，提高了工業生產效率，使得工業發展取得了巨大的進步。為了確保整個系統工作的穩定可靠，一方面要求自動化控制系統使用的硬件設備抗干擾能力非常的強，另一方面，在現代工程設計、建設過程中，應當給予高度重視，同時盡量采取有效策略來完善和改進工業自動化控制環境、強化自動化控制系統自身的抗干擾能力。文章總結作者多年進行自動化控制系統的設計和調試經驗，列舉了部分可能干擾工業自動化控制系統的相關干擾因素、提升自動化抗干擾能力的有效措施和方法。

目前來看，實踐中常見的提升工業自動化控制抗干擾能力的方法表現在以下幾個方面、干擾源抑制措施、切斷或者衰減干擾耦合途徑方法、軟件抗干擾措施。

1 干擾源抑制

實踐中，就自動化控制系統而言，電磁干擾源包括供電電源、斷開感性負載脈沖以及整流變頻裝置運行中的高頻干擾等，具體分析如下。

1.1 供電電源干擾

由于電源的引入，會產生一定的干擾，這在很大程度上會對自動化控制系統產生不利影響；在工程調試中過程中，建議更換和使用帶有隔離變壓器的相關控制電源。該系統一般使用AC 220V電源供電，電網電壓波動及工頻干擾都可能會對自動化系統的可靠工作產生影響，因此必須盡量提高自動化控制系統電源質量。在工程應用中，提高供電電源質量和抑制供電電源干擾的措施有：

1.1.1 UPS電源應用

不間斷供電電源供電過程中，可有效提高整個供電系統的安全性、可靠性。UPS本身具有非常強的干擾性、隔離性，因此是一種較為理想的自動化控制系統。

1.1.2 具有隔離性能的開關電源應用

對于自動化控制系統而言，其接口電源大多數都是DC24V，AC-DC開關的質量直接影響著自動化系統工作的可靠性。

1.2 將感性負載脈沖干擾斷開

1.2.1 對于繼電器輸出型PLC控制電感負載而言，其負載電源通常是直流電，可在負載兩端位置并聯一個續流二極管。在此過程中，還可采用RC串聯支路、電阻以及二極管加RC等方法，對噪聲進行有效的抑制；實踐中，如果負載電源本身是交流電，則建議在負載兩端位置并聯RC串聯支路、可變電阻、壓敏電阻以及硒整流片或者對接式穩壓管。

1.2.2 對于晶體管輸出型PLC控制感性負載而言，建議在負載兩端位置，并聯續流二極管、二極管加穩壓管等方法，對負載斷開脈沖干擾進行有效的抑制。

1.3 變頻裝置產生的高頻干擾

在工業控制中大量使用變頻裝置對設備進行調速控制，變頻裝置在其工作中會產生高次諧波，這在很大程度上會導致電網電壓波形出現嚴重的畸形或突變，嚴重威脅整個自動化控制系統的運行。針對這一問題，實踐中主要抑制措施有：

1.3.1 設置線路電抗器

在變頻裝置電源輸入側接入進線電抗器，在輸出側接入出線電抗器。設置進線電抗器，可以抑制整流變頻裝置對電網電壓的波動產生一定的影響。

1.3.2 變頻裝置電纜的選擇和接線

盡量采用變頻屏蔽電纜，并且注意電纜屏蔽芯和屏蔽網與變頻器的正確連接，這樣可以大大的減少變頻器對外界的干擾。

目前大多控制系統中，變頻器都采用現場總線通信控制方式，因此防止變頻器對現場總線的干擾非常重要，否則將干擾整個自動化控制系統現場總線的正常通信。

1.4 靜電放電抗干擾

對于靜電放電噪聲而言，其屬于脈沖干擾，雖然其能量非常的小，但是其寬度相對較窄，而且瞬間產生的能量密度非常的大，可能會對自動化控制系統產生不利影響，比如引發誤操作。針對這一問題，可采取的主要抑制措施有：提高電子設備表面的絕緣能力、盡量縮短信號線、加粗設備之間的接地線、高導磁材料覆蓋整個信號回路。

2 干擾耦合途徑切斷[1]

2.1 公共阻抗耦合抑制策略

導線阻抗以耦合阻抗為主，其大小和系統中的導線鋪設之間存在著非常密切的關系，而且該系統具體設計過程中，需充分考慮待相關的有效抗干擾方法。（1）最大限度地縮短公共阻抗導線長度，通過減小線路間距、直線布線方法，來有效的抑制公共阻抗耦合；（2）通過增大導線導體截面、最大限度地減少接觸電阻數值的方面，來有效減小導線自身的電阻數值；（3）接地系統應用。接地系統對自動化控制系統工作的可靠性至關重要。自動化控制系統接地通常都要與保護接地分開，有效防范不同接地點之間的地電位差，避免形成地環路電流。比如，電纜屏蔽層需一點接地，若電纜屏蔽層存在A、B端接地的現象，則必然會產生一定的地電位差。在有雷擊現象時，地線上的電流會變得非常的大；（4）采用繼電器、光電耦合器、變壓器等電隔離器件實現電位隔離；（5）4-20mA模擬量輸入信號的負端接地，可有效抑制共模干擾現象的發生。

2.2 電容性耦合抑制策略

實踐中，為了有效抑制、或者避免電容性干擾問題的發生，在自動化控制系統設計過程中，干擾源電氣參數一定要使電壓變化幅度、速率減小，而且被干擾系統還必須滿足設計要求，將其設計成一個低電阻系統；同時，要求其結構盡可能的緊促一些，尤其在空間上一定要相互隔離開來。

2.2.1 為有效減小耦合電容數值，電纜敷設過程中，應當確保導線盡可能的短一些，尤其要避免出現平行走線現象，弱電線、強電線應當分別敷設于不同橋架、線槽之中，并盡量增加他們的距離。

2.2.2 以電氣屏蔽為受到，抑制干擾源的干擾電場的作用。

2.2.3 將耦合電容彼此電氣對稱平衡地連接，可以抵消耦合的干擾作用。

2.3 電感性干擾防范策略

主要有三種方法：

（1）減小系統構件建的互感。在此過程中，其可采用的主要方法是減小系統耦合部分之間的距離、盡可能的減小導線長度、避免出現平行走線現象。

（2）對干擾源進行磁屏蔽設計，以此對干擾電場進行有效抑制。在此過程中，主要存在著靜態磁、渦流兩種屏蔽方式。其中，靜態磁屏蔽因低頻段，而導致屏蔽對象盡可能為密閉性的鐵磁性外殼罩，而且其渦流屏蔽應處于高頻位段，在此過程中，其利用的是非磁性物質渦流效應，并且對交變磁場產生一定的屏蔽作用。

2.4 抑制波阻抗耦合的干擾措施

波阻抗耦合分為傳導波耦合和輻射波耦合兩種形式。對于傳導波耦合，可通過強電線與弱電線敷設，使用雙絞線或同軸電纜等措施加以抑制；對于輻射波干擾，通常采用在干擾源和干擾對象間插入金屬屏蔽物的方式來抑制。

2.5 設備選型

在選擇設備時，盡量選擇有較高抗干擾能力的產品，其包括了電磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術、帶隔離功能的PLC系統。

2.6 電纜選擇及敷設

電纜的選擇應根據傳輸信號類型選擇不同類型的電纜。如變頻裝置饋電電纜應選擇變頻屏蔽電纜，4～20mA模擬信號應選擇屏蔽控制電纜，增量式編碼器電纜應選擇雙絞分屏加總屏電纜等等。

電纜敷設應根據電壓等級分層敷設，不同電纜層之間的間距需嚴格滿足電纜敷設規范，嚴禁用同一電纜的不同芯線同時傳送動力電源和弱電信號，避免信號線與動力電纜靠近平行敷設，以減少電磁干擾。

3 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誤動作。這里列舉幾個簡單的例子加以說明。

3.1 觸點抖動的消除

對于外部輸入設備可能產生的觸點抖動，如按鈕、繼電器、傳感器等的輸入信號，可通過延時加以消除，對一些可持續一定時間的脈沖干擾，也可以采取這種辦法加以消除。

在選擇時間設定值時，應使其大于觸點抖動間隔時間或干擾脈沖持續時間。

3.2 可測干擾信號的抑制[2]

對于可通過一定辦法測出的短時干擾信號，如大電感負載斷開時產生的干擾信號，可通過檢測設備將干擾信號產生的時間由接點的方式通知控制系統，然后由控制系統的JMP/JME指令屏蔽輸入信號，即有干擾信號作用這段時間，不采集輸入信號。

3.3 漏掃描檢測

在編制應用程序時，可將程序分成若干段，在每段程序的尾部加一個段檢查節點。每次掃描后，若是各段程序都已經被有效地掃描過，則此時應當給出正確信號，然后繼續執行下一道程序和指令；如果有某段漏掃描，則發出警告信號并進行預先規定的處理。

3.4 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，即一對閉合，一對斷開，若同時閉合或斷開則為故障狀態，必須加以妥善處理。

在進行故障診斷時，對可以預測的干擾信號，總可以找到解決的辦法。但有些干擾信號造成的故障則很難事先預知，這就要求在軟件及硬件設計時，全面考慮系統的抗干擾措施。同時還要考慮到，軟件控制的控制系統中，由于軟件與硬件的相互作用，有些故障很難判斷出到底是硬件引起的還是軟件引起的，也就是說，在利用軟件容錯和冗余技術進行抗干擾時，軟件和硬件故障必須結合起來考慮。有些硬件故障可以通過軟件發現并自動采取修復及補救措施。有時有用硬件來監視軟件工作的準備性。把控制系統的軟、硬件結合起來處理電磁干擾問題，是自動化控制系統的優越性之一。

總之，要設計一個在所有可能的條件下都能可靠工作的自動化控制系統，必須充分考慮控制系統的軟件和硬件方法，不僅要滿足系統的工藝要求，還要適應系統的環境要求，尤其是電磁環境的要求。

參考文獻

[1]趙清.PLC控制系統的硬件抗干擾措施[M].北京：電子工業出版社，2011：143-150.

[2]韓兵.PLC編程和故障排除[M].北京：電子工業出版社，2009：97-101.