現場典型抗干擾問題的分析與處理

秦民欣

本文根據現場工程實踐中遇到的問題對抗干擾問題進行了定性的分析和研究，提出了現場解決與之相關的問題的方案。

DCS系統、PLC系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。雖然無論是控制系統硬件廠商還是電建施工人員都從各自的角度出發盡量提高系統的抗干擾能力，但由于DCS系統、PLC系統所處電磁環境的復雜性以及設備硬件本身的抗干擾能力的局限性，實際運行中，控制系統數據采集的穩定性往往受到電磁干擾的挑戰。遇到此類問題。檢修人員往往知道問題的癥結。但一時找不出合適的解決方案，本文就是根據幾個電力生產過程中的現場實例，提出解決此類問題的一般方法。

問題引出

大唐略陽發電有限責任公司6號機組DCS系統采用北京和利時公司的MACSV系統，其抗電磁干擾能力指標如下：共模抑制比≥90 dB，共模允許電壓≥250V，差模允許電壓≥60V。DCS系統接地匯流排單點引入機組電氣主接地網。接地電阻小于0.5Ω。系統抗射頻干擾試驗符合規定。機組運行后發生過幾次典型的電磁干擾引起的異常現象。現通過對現場實際處理的案例，就其現象產生的機理、問題的處理方案和引申出的防范措施和大家共同探討。

屏蔽的作用和屏蔽層的材料對屏蔽效果的影響概述。

屏蔽是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離。以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。具體地講，就是用屏蔽體將電子元部件、電略、組合件、電纜或整個系統的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來，防止它們收到外界電磁場的影響。屏蔽體對來自導線、電纜、元部件以及電路或系統等外部的干擾電磁波和內部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應在屏蔽層上產生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用。所以利用屏蔽體可以非常有效地減弱電磁干擾。屏蔽材料選擇的原則如下：當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導率）的金屬材料中產生的渦流。形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果；當干擾電磁波的頻率較低時。要采用高導磁率的材料。從而使磁力線限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去；在某些特定場合下。如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的評比效果時。往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。

問題處理的案例分析。

案例一：對6A引風機軸承溫度跳變的分析處理

大唐略陽發電有限責任公司6號機組6A引風機軸承溫度測量為熱電阻元件，共9個點，5、6、了、8、9位于同一電纜，其中7、8、9和電機線圈溫度在同一模塊。該模塊的所有溫度信號均不定期的同時跳變，跳變幅度3-6℃，其他信號正常。圖中每一點為三略導線，元件采用三線制接法。

檢查就地溫度元件阻值穩定、模塊及端子板通道正常、電纜屏蔽DCS側接地良好、電纜線間絕緣對地絕緣均符合規定。判斷問題由電磁干擾引起。觀察參數的歷史曲線，發現了、8點的跳變幅度最大，初步懷疑可能是它們引入的干擾。遂打掉7、8點在模塊側的接線，觀察該模塊其它測點顯示正常，將了、8點的元件用其它元件的導線引入模塊，數據顯示正常。隨后做試驗。在就地元件打掉的情況下只要7、8點在DCS側接入。就會對該模塊上其他信號造成嚴重干擾。將7、8點電纜導線引入其它模塊中現象依然。實際表明SM432模塊單通道引入的干擾會影響整個模塊的正常工作。這說明該類模塊的通道隔離性能還有待提高。但還有一個問題：為什么6A引風機軸承溫度電纜中其它導線未對模塊引入干擾。

經現場檢查發現6A引風機軸承溫度電纜為普通屏蔽電纜，屏蔽層材料為金屬銅，屏蔽層結構為銅帶包敷方式。因此該電纜對頻率較高的電磁干擾有較好的屏蔽效果。但對于頻率較低的電磁干擾則效果較差。現場多處由于實際條件所限制。動力電纜、信號電纜分層敷設的原則并未完全貫徹，存在動力電纜、信號電纜混放的現象。由于電力強電線纜多為非屏蔽電纜。其交變電流會在周圍會產生交變的磁通，頻率較低。抗低頻電磁干擾能力較弱的控制電纜處在低頻電磁環境中，如果低頻電磁能量達到一定值就會在控制電纜內導體之間產生電動勢。造成線路上的干擾。某一導線上的干擾大小和它與周圍介質形成的電路結構參數有關。當該電路的諧振頻率和干擾頻率接近時就會產生較高的干擾電動勢，對有用信號影響較大。同一電纜內的導線所處的電磁環境一致。但由于其相對位置的不同造成其電路結構參數的不同，從而使它們的諧振頻率有較大差異，最終影響到它們接收到的干擾信號強弱不同。干擾信號達到一定程度就會使信號失真，再達到一定程度就會造成對模塊的其它通道的干擾。

明確了引起本次現象干擾產生的機理，我們就可以采用一定的方法來予以處理。

方案一：找到6A引風機軸承溫度電纜遭受電力電纜干擾的部位，人為使兩者的距離拉大，減小6A引風機軸承溫度電纜周圍的低頻電磁能量。

方案二：敷設新的6A引風機軸承溫度電纜。屏蔽電纜選用具有不同的金屬材料組成多層屏蔽體，以增強電纜的抗低頻、高頻干擾的能力。

方案三：將7、8點的信號線通過電容接地，改變7、8點導線與周圍介質形成的電路結構參數。從而改變其諧振頻率。

實施過程中，6A引風機軸承溫度電纜被深壓在其它大量電纜內，方案一無法實施，而方案二需要敷設新的電纜，工作量較大，因此考慮選用方案三。將了、8點的信號線通過100uF電容接地。原理圖如下：

該方案的重點是確定接地電容的容量，根據我們的試驗，電容容量范圍在22uF-220uF效果比較好。既可以消除電磁干擾對測量帶來的影響又可以保證量值有較好的動態特性。但該方案有一定的前提，就是必須保證接地電容的質量品質。如果電容漏阻較大或則損壞。會對測量引入更大的干擾甚至破壞。因此必須定期對電容品質進行測試，確認電容的實際參數符合電容的標稱參數。

案例二：對碎煤機狀態顯示不正常的分析處理

大唐略陽發電有限責任公司6號機組輸煤程控PLC系統，6A、6B碎煤機的運行狀態、異常報警狀態自投運以來都不能正常顯示。碎煤機的各種狀態由就地無源干接點提供。通過16芯普通屏蔽電纜送至PLC程控柜。經柜內中間繼電器隔離后送干接點信號至PLC模塊。中間繼電器驅動電源為交流220V。只要就地任一干接點閉合，相應中間繼電器勵磁，其它的同一電纜的中間繼電器都會時斷時續的勵磁，其線圈兩端有高達150V-230V的交流電壓。PLC上碎煤機的狀態顯示出現非正常變化。

該電纜兩端接線如圖3所示（只畫出三路信號代表）：其中J1、J2、J3為就地無源干接點，K1、K2、K3為交流AC220V中間繼電器，

檢查電纜的絕緣、屏蔽以及PLC系統的屏蔽均無問題。考慮到該電纜從始端到終端長達700多米，其分布參數較大，對交流信號的傳輸肯定會產生影響。分析認為此狀態下干擾產生的原因是同一電纜內的傳輸導線間的阻抗互相耦合和電磁感應。只要有就地接點閉合。與之連接的兩根導線內就會流過工頻電流。由于電纜很長且內部導線走向一致，交變電流產生的交變電磁場對其它導線形成的感應電勢以及阻抗互相耦合產生的耦合電勢大到已足可以驅動繼電器的線圈。根據分析，有兩種方案可供選擇：

方案一：減少干擾源的電磁輻射。利用高品質的多芯對絞對屏電纜替代原來的普通屏蔽電纜，對絞對屏電纜可以有效的消除電纜線內的相互干擾。

方案二：改變干擾源的性質。徹底消除干擾源。更改原來中間繼電器的驅動模式，經過計算和實測，單個回略的導線電阻只有2。歐姆。而一般的直流24V的繼電器線圈阻值超過16干歐。因此可以用直流24V的繼電器更換原來的交流中間繼電器。相應的驅動電源改用直流24V，這樣電纜內部導線間就不會存在電磁干擾。

從整體的性價比上和施工的難度上考慮最終選用方案二。

按照方案二實施后。碎煤機的狀態監視恢復正常。問題解決。這說明長距離控制系統的控制電源最好采用直流電源。

類似問題的一般解決方案

通過以上異常現象的分析和處理。經過總結分析我們認為現場消除干擾的一股方法為：

首先應該檢查電纜的絕緣狀況（線間絕緣、線地絕緣）、屏蔽層接地狀況。當然前提是檢測元件、檢測放大回路無異常，確認無問題的情況下應從以下著手：

A，確認干擾源或確認干擾性質

根據干擾對現場有用信號影響的特點。分析是否和周圍的電磁環境、大型設備的運行狀況相關，如不相關則單獨測定信號線纜對地、線間交直流電壓是否異常。如異常則屬于強干擾，一般由動力電纜的強交變磁場造成，如無異常很可能是回路竄入了高次諧波信號。用一般的萬用表檢測不到。采用信號線逐略接入的方式可以判明干擾的具體引入點。

B、消除干擾源或減弱干擾強度

如果確認干擾源是某一固定的裝置或線纜，可以通過技術改造減小干擾源的電磁輻射或改變干擾源的性質。例如對固定干擾源加屏蔽設施，并將屏蔽接地，對于不能避免的動力線引入的電磁干擾，信號電纜采用對絞對屏電纜。如果干擾源是偶然因素，則可以在控制軟件上增加濾波邏輯減少影響。

C、采用信號隔離裝置

干擾的具體引入點如果能確認，對于受干擾面不大的情況下一般采用信號隔離裝置，如果受干擾面較廣，在控制系統接地合格的情況下最好從干擾源著手。

D、采用接地電容或濾波電容

對于共模轉串模造成的干擾采用線纜通過電容接地會有很好的效果。對于電磁感應造成的串模干擾可以采用信號回略間加濾波電容的方式。電廠內的電磁干擾源的頻率多為工頻或其倍頻，頻率較低，根據試驗，電容容量范圍在22uF-220uF效果比較好。既可以消除電磁干擾對測量帶來的影響又可以保證量值有較好的動態特性。但該方法有一定的局限性。它一般只能用于直流信號回略。

E、根據現場電磁環境的特殊性和共性，采用具有針對性的屏蔽電纜，以增強電纜的抗低頻、高頻干擾的能力。

現場實際的電磁環境非常復雜，干擾源一般是多種效應的綜合，對影響系統運行的主要干擾源很難判斷，因此消除干擾源非常困難。最根本的辦法還是提高系統本生的抗干擾能力。這就要求我們從設備的選型、設備的安裝、電纜的選型、電纜的敷設、接地點的選擇等等各個環節嚴格把關。只有每一各環節都符合相應的規定，才有可能最大限度的提高系統的抗干擾能力。