論工業控制自動化系統的干擾問題

摘 要：自動化系統是在機電功能、信息采集功能和控制功能上引進的人機控制技術，并將機電設備與采集處理設備用相關軟件有機結合而構成的系統。自動化系統投入工業應用環境運行時，系統總會受到電網、空間與周圍環境干擾。文章分析了工業微機控制系統的干擾來源并提出了相應的抑制措施。

關鍵詞：自動化系統；工業控制；干擾

對于工業微機控制系統，干擾主要來源于兩個方面：一是空間干擾，即電磁場的干擾；二是電網干擾，這是對微機系統的主要干擾。電網在周圍大功率設備運行中，特別是啟動過程中，將串入尖峰干擾或電壓跌落，從而導致CPU工作不正常，存儲器內容被破壞。

1 干擾的定義及分類

在工業控制現場中分布著各種各樣的雜散電磁信號，它們的頻率可以從直流至1000MHz甚至更高。噪聲是絕對的，它的產生和存在不受接收者的影響，是獨立的，與有用信號無關，干擾信號是相對有用信號而言的，只有噪聲達到一定的數值，并且和有用信號一起進入電子控制裝置，并影響裝置正常工作時，才稱這類噪聲為干擾，干擾在一定的條件下可以消除，而噪聲一般只能減弱而不能消除，干擾的分類方法有很多種，按其產生和傳播的方式可分為下述6種。

1.1 靜電干擾

靜電干擾實際上是電場通過電容器或分布電容耦合到受擾裝置而形成的干擾，例如：流過較大電流的動力線周圍存在著較強的電場，這個電場可以通過該動力線和周圍的電路之間存在的分布電容向其周圍的電路施加干擾，而且電場強度越大，受擾電路與該動力線距離越近，以及它們之間平行走線的距離越長，這種由動力線施加在受擾電路中的靜電干擾越強。

1.2 磁場耦合干擾

它是一種感受式干擾，主要是由靠近電子裝置的流過較強電流的線路周圍的變化電磁場對電子裝置回路耦合所形成的干擾，如：動力線、變壓器、交流電動機、交流接觸器、電磁鐵等產生磁場的器件周圍都存在著較強的交變電磁場，這種交變電磁場會使其附近的電子線路產生感生電動勢和感生電流，從而形成干擾。

1.3 電磁輻射干擾

由空間電磁波被電子裝置接收而形成的干擾稱電磁輻射干擾，例如：高頻感應加熱爐和可控硅中頻爐及各種有觸點電器所產生的電火花、電弧都會產生輻射電磁波，當它們附近的電子裝置所接收到的電磁波達到一定強度時，就可能形成電磁輻射干擾。

1.4 共阻抗干擾

由于電子控制裝置中各個電子回路間的公共導線存在著電阻和電感，當一個回路的電流流過這段公共導線時，會在導線上產生電壓降，這一阻抗壓降耦合到其它電子回路中就形成了共阻抗干擾。

1.5 漏電耦合干擾

該干擾是指由于控制裝置內部與內部或內部與外部本不應該有電氣聯系的部分之間的電氣絕緣性能下降而造成各部分之間有漏電流而形成的干擾，例如：工作在空氣濕度較大場合下的控制裝置，由于裝置內部器件工作時的發熱可能會在器件上凝結露水，這樣便造成器件內部與外部各線之間的絕緣電阻下降而產生漏電耦合干擾，漏電耦臺干擾一般發生在工作環境惡劣的條件下。

1.6 電網干擾

一般電子控制裝置的工作電源是通過從電網獲得的交流電經變換處理得到的，接在電網上的一些用電設備在工作時可能對電網施加干擾，使電網電壓含有干擾信號，例如：切斷大感性負載所產生的浪涌過壓會疊加到電網電壓上；啟動大的用電設備會造成短時間內電網電壓下降；大功率可控硅的觸發導通會使電網電壓波形畸變；電力傳輸線會接收各種高頻輻射干擾信號，從而使電網上含有各種高頻干擾信號，電網上所含的低頻干擾信號可以通過電子控制裝置的電源變壓器耦合到次級；高頻干擾信號可以通過電源變壓器初、次級間的寄生電容耦合到次級，這樣就可能使電子裝置的工作電源含有各種頻率的干擾信號而影響裝置工作。

2 場干擾及解決辦法

場干擾：系統周圍的空間總存在著磁場、電磁場、靜電場，如太陽及天體輻射；廣播、電話、通訊發射臺的電磁波；周圍設備發出的電磁輻射等。這些場干擾會通過電源或傳輸線影響各功能模塊的正常工作，使其中的電平發生變化或產生脈沖干擾信號。解決場干擾：

（1）解決場干擾的主要方法是良好的屏蔽和正確的接地。

（2）消除靜電干擾最簡單的方法是把感應體接地，接地時要防止形成接地環路。

（3）防止電磁場干擾，可采用帶屏蔽層的信號線，并將屏蔽層單端接地。

（4）不要把導線的屏蔽層當作信號線或公用線來使用。

（5）在布線方面，不要在電源電路和檢測、控制電路之間使用公用線，也不要在模擬電路和數字脈沖電路之間使用公用線，以免互相串擾。

3 增加軟件抗干擾技術

各種形式的干擾最終會反映在系統的微機模塊中，導致數據采集誤差、控制狀態失靈、存儲數據竄改以及程序運行失常等后果，雖然在系統硬件上采取了上述多種抗干擾措施，但仍然不能保證微機系統正常工作。因為軟件抗干擾是屬于微機系統的自身防御行為，實施軟件抗干擾的必要條件是：

（1）使微機硬件系統良好接地，遠離干擾場，對強場干擾做好屏蔽。

（2）保護系統的程序及固化常數不會因干擾的侵入而變化。

（3）RAM區中的重要數據在干擾侵入后可重新建立，并且系統重新運行時不會出現不允許的數據。

（4）PLC間的數據交換及傳輸采用CRC校驗。

（5）設置WATCHDOG功能，由硬件配合，監視軟件的運行情況，遇到故障進行相應的處理。

（6）設置軟件陷阱，當程序指針失控而使程序進入非程序空間時，在該空間中設置攔截指令，使程序進入陷阱，然后強迫其轉入初始狀態。

（7）采用自動化系統冗余設計方案。

4 結束語

總之，工業微機控制系統近年來得到了越來越廣泛的應用。微機控制系統是一個系統工程的概念，它不同于一般的個人計算機，不能只從計算機的概念來認識它。工業微機控制系統除要求有完善的控制功能外，還要求具有很高的抗干擾性能和穩定性。否則，再完善的功能設計，因抗干擾性能不好，則在干擾出現時就會導致整個控制系統失靈，給工業生產帶來嚴重的后果。

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