基于共用接地的工控系統通信抗干擾技術

張炎

摘 要：多晶硅生產技術中最為成熟的是改良西門子法，其所涉及的高壓啟動系統，還原系統，隔離柜和轉換柜的設計以及SCADA控制系統都屬于多晶硅電源系統的重要部分。在實際施工過程中，克服工控系統通信干擾成為了首要問題。我公司通過理論研究、經驗轉化、方案提出、實驗設計、結果驗證設計出一套抗干擾能力強、運行穩定可靠的基于共用接地的抗干擾技術，保證了多晶硅電源系統的正常運行，為自動化工控系統的抗干擾布局積累了經驗。

關鍵詞：多晶硅電源系統；工控系統；共用接地；耦合干擾；抗干擾技術

中圖分類號：TN92 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0019-03

Abstract： The maturest polysilicon production technology is the modified Siemens method， which involves the design of high voltage startup system， reduction system， isolation cabinet and conversion cabinet， as well as SCADA control system， which all belong to the important part of polysilicon power supply system. In the actual process of construction， overcoming the communication interference of industrial control system has become the primary problem. Through theoretical research， experience transformation， scheme proposal， experiment design and result verification， our company has designed a set of anti-interference technology based on common grounding with strong anti-interference ability and stable operation， which ensures the normal operation of polysilicon power supply system. It has accumulated experience for anti-interference layout of automatic industrial control system.

Keywords： polysilicon power supply system； industrial control system； common ground； coupling interference； anti-interference technology

引言

多晶硅半導體材料的研發技術，不僅與電子信息技術產業不可分割，也和光伏產業息息相關。生產出合格的多晶硅材料，要求生產工藝精細嚴格高標準，生產設備穩定可靠抗干擾。

2016年以來，中國穩坐光伏產業第一大國的交椅，裝機總量和增速均為世界第一，對多晶硅依賴嚴重。據數據統計，2016年多晶硅的進口量占消費量的四成以上，國產化依舊有很大的上升空間。

目前，多晶硅生產最為成熟的首選方式是改良西門子法多晶硅還原法[1]。其原理是采用化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD），具體是在高溫條件（1100℃左右）下，以高純硅為核芯，使用還原性強的氣體高純氫對三氯氫硅以此生成對晶硅，再在高純硅上進行沉積生長，其部分副產物和副產熱都可以回收再利用。

在整個CVD過程中，高純硅芯需要降低其電阻以利于導通。由于室溫下高純硅的電阻率高，需要依靠外部加熱技術或者高壓啟動技術。外部加熱技術是將還原爐加熱至300℃以上提升硅的導電率，但此加熱方法熱量分布不均，硅體外部溫度明顯高于內部，且加熱時間長，效率低下，生產的多晶硅純度受到影響。而采用高壓啟動技術規避了以上缺點，利用數千伏的高壓啟動裝置使硅芯均勻發熱，此種方法加熱迅速均一穩定，啟動效率得到了提高[2]。

本項目設計的對晶硅還原電源系統即采用了高壓啟動的方法，設計了啟動系統、還原系統、隔離轉換系統以及SCADA控制系統。由于動力線路布局密集，其產生的電磁場干擾對于整體的工控系統有著嚴重的不利影響。

本論文就實際的工程施工中遇到的諸多電磁干擾因素進行研究，通過控制變量法和排除法設計實驗，成功完成了技術突破，順利交付了項目。

1 工控系統通信干擾的因素和常見措施

1.1 干擾產生的原因和種類

隨著工業自動化的發展以及對空間利用的不斷提高，經常要求在較為狹窄的區域內完成多種設備的安裝與調試，這使得電力線路分布密集，在設備的使用開閉使用過程中，產生了大量的電磁場干擾，其產生的主要原因是耦合。耦合指的是多級元件（兩個及以上的電路元件）之間的輸出和輸入端口之間發生相互作用而傳遞能量的現象。耦合電磁干擾根據傳遞方式不同可以分為傳導型耦合干擾和輻射型耦合干擾。

工業控制系統中，由于電力線路產生大量干擾，而信號線路往往抗干擾能力弱，故而一般要求遠離電力線路單獨敷設。工控系統的常見干擾一般是由導線相互耦合而產生。耦合干擾包括：電容耦合干擾，電感耦合干擾，電阻耦合干擾（共用接地的阻抗耦合干擾，共用電源的阻抗耦合干擾）。

1.1.1 電容耦合干擾的產生

電容耦合干擾：常被稱作電場耦合，是由于干擾源（噪聲源）和受干擾的電路之間有著電容通路，導線之間存在著分布電容（寄生電容），對于并聯電路危害大。例如平行導線之間的電容干擾可以抽象為如下模型：

在此模型中，受干擾的敏感導線B和干擾源導線A之間存在著寄生電容CAB，并且將各自導線與大地之間的電容（CAG和CBG）并入考慮，R是受干擾的敏感導體與大地之間的電阻，UBG是受擾導體與大地之間的干擾電壓。

如果R阻抗較低，干擾電壓可以表示為：

UBG1=kCAB RUA，k=jω

因此電容耦合干擾實際上可以抽象為，在干擾源的作用下，在被干擾的導體與大地之間接入了一個電流源，該電流源的幅度與干擾源的電壓UA和寄生電容CAB的乘積有關：

IBG=kUA CAB

CAB與干擾源和受擾導體的距離D與干擾源導體直徑d的比值成負相關。因為UA一般不可變，故而可以通過增加距離D一定程度上減小CAB，初始增加距離D效果顯著，但當距離D超過一定數值以后，CAB的減小不明顯。

如果R阻抗較高，干擾電壓則可看作是：

UBG2=

與騷擾電壓的ω無關。可以明顯看出UBG2>UBG1。

1.1.2 電感耦合干擾的產生

電感耦合干擾：常被稱作磁場耦合，是由于導線中電流變化引起的電磁感應現象，從而使另一導線產生了感應電動勢，因此制造的耦合干擾，對于串聯電路危害大。

干擾源A與受干擾導體B之間的互感為MAB，產生的感應電壓

UAB=MAB

其中MAB可以表示為MAB=BScosθ。

1.1.3 共阻抗耦合干擾

共阻抗耦合干擾可以分為共地阻抗耦合干擾和電源內阻抗耦合干擾。

共地阻抗耦合干擾指的是由于地環路的存在，干擾源線路與被干擾線路之間共用接地時，干擾源的輸出電流通過共地阻抗在被干擾輸入端形成了高壓，即接地干擾。電源內阻抗耦合干擾的原理與此相似，不再贅述。

1.2 抗干擾措施

1.2.1 電容耦合抗干擾

根據1.1.1的模型分析，可以通過增加距離D一定程度上減小CAB，初始增加距離D效果顯著，但當距離D超過一定數值以后，CAB的減小不明顯。該原理的應用即工程線路敷設時，將被干擾的弱信號線和干擾源強信號線的敷設距離增大，因為的比值超過40后減小作用不明顯，故而實際鋪設的距離D一般取為干擾源導體直徑d的40倍，即遠離技術。同時，因為平行導線之間的寄生電容最大，故而布線避免平行能有效減少電容耦合干擾。

1.2.2 電感耦合抗干擾

根據1.1.2的模型分析，減小UAB即減小干擾源與被干擾導體的互感，即BScosθ。B值的大小與干擾源導體中的電流大小成正相關，而與干擾源導體和被干擾導體之間的距離D成負相關。故而依然可以采取增大D值的方式減小電感耦合干擾，即遠離技術。同時根據公式MAB=BScosθ，避免平行的線路布局仍然可以在很大的程度上減小電感耦合干擾。

1.2.3 共阻抗耦合抗干擾

采用一點接地的方式，即將同級電路中的基極、發射極、集電極的接地端共接地點（實際操作中不可能完全共點，但要是同級電路的接地點盡量集中），這樣可以很好地避免其他級回路的干擾，但其只是用于規模較小、電纜長度小的電路。

采用多點接地能適應工作頻率更高，電纜線路更長的電路[3]。

采用匯流接地、大面積接地、數模隔離接地以及加粗接地線的方式都能很好地抑制共阻抗耦合干擾[4]。

1.2.4 使用屏蔽體

屏蔽體的使用能更好地抑制耦合干擾。

在電容耦合干擾中，在受干擾導體上加入屏蔽管線，使得受干擾導體暴露在屏蔽體外的部分盡可能小，以減少CAB（CAB與受擾導體延伸部分的長度有關），并且屏蔽管線應有良好的接地，一般采用單點或多點接地。

在電感耦合干擾中，單點接地或不接地并不能使屏蔽體產生額外磁場以改變原有磁分布，故而不能抵抗電感干擾。而使用兩端接地的屏蔽體對電感耦合干擾有明顯的抑制作用。

1.2.5 使用雙絞線

雙絞線是由互相絕緣的導線以一定的纏繞密度螺旋纏繞而成。既降低了外磁場的干擾，因其非平行的敷設方式，也降低了傳輸線之間的互電容。采用平衡式傳輸的雙絞線可以抵抗自身和外部磁場的干擾，具備良好的抗共模干擾的能力[5]。

當工作頻率低于100kHz時，雙絞線的抗干擾效果良好，但當工作頻率高于1MHz時，電路損耗增加，且寄生電容分布增加，雙絞線的使用反而增加了干擾[6]。

2 實際項目通信抗干擾技術的實驗與分析

本項目的布線環境十分復雜，使用的電器柜數量多，強電弱電系統分布集中，中頻低頻電路交叉布局，造成的干擾形式復雜，干擾強度強。因此純理論的分析方法不適用。

為了結局實際布局產生的大量干擾，我們采用了實驗的方法，通過控制變量法設立對照組，用排除法排查干擾源，成功解決的實際項目中存在的諸多干擾問題。

2.1 共用接地實驗

2.1.1 實驗背景

以抗干擾為原則，本項目在方案制定中就采用了遠離技術、屏蔽技術、接地設計等諸多抗干擾方式。

方案設計中，進電電纜以絕緣絕熱玻璃板隔離，并在電器柜上方架空敷設；控制信號電纜和低壓電纜以抗電磁隔離板隔開，敷設在電氣柜下方的電纜溝槽之中。

控制柜的分布較為集中，采用以光纖替代網線串聯的方式將PLC200串聯起來接入PLC400中，形成環網通信通道。光纖為石英絕緣材質，不受電磁波干擾，且傳播頻率很高，不受低頻信號干擾。

接地系統是抗干擾技術的重要一環。

本項目中所涉及共六種接地類型，諸如低壓配電系統中性點接地、電氣安全保護接地、電子設備直流工作接地和通信電源接地等。接地方式的選擇需要綜合考慮電氣柜的布局、施工過程的復雜工況條件和抑制阻抗耦合等要素：

采用共用一個接地的方式，由于電氣柜的數量眾多，強電流電路對弱信號產生的共模干擾嚴重；

采用兩個及以上的多點接地，由于接地電位不同，各個接地點之間存在著電位差，對系統產生干擾。

盡管在方案制定期就已經綜合考慮了抗干擾的因素，但在項目的實際工程施工中，因為電氣環境太過復雜，仍然出現了許多干擾因素，僅僅依靠理論計算和數據分析完全不能勝任干擾的排查和抗干擾措施的處理工作，故而需要設計實驗。

2.1.2 實驗設計

本著控制變量法的實驗精神，對于該項目中復雜接地系統的設計，我們設立了一組對照組和一組實驗組。

在相同的實驗環境下（保證電磁環境一致以控制變量），使用相同的電氣柜，將其分為兩部分。實驗組電氣柜采用共用一個接地的方式，對照組電氣柜采用共用多個接地的方式。該實驗的變量僅為接地方式的不同。

2.1.3 實驗結果及分析

在保證無其他變量參數的干擾情況下。采用共用一個接地的實驗組沒有出現明顯的電磁干擾現象，采用共用多個接地的對照組出現了明顯的電磁干擾現象。

分析認為可能由于多個接地點之間存在著電位差，造成了接地干擾，使得整個系統不穩定，出現了電壓電流的不定變化。

2.2 遠程調試下的工控系統干擾及解決措施

在消除了共用接地干擾的情況之后，遠程調試的時候工控系統工作不穩定，存在著電磁干擾現象。在方案設計階段采用了光纖替代網線的方法已經在一定程度下消除了對控制信號的干擾，故而干擾源頭在其余的設備上。在采用排除法檢查和分析相關設備的運作情況后，確定了干擾來源。

控制柜中的西門子S7-200PLC與數字控制板之間存在著雙絞線屏蔽層，其與數字控制板的供電電源共接在同一端子，并在端子上接地，導致了干擾的產生。

我們將雙絞線屏蔽層與數字控制板的供電電源端子斷開，使屏蔽層浮空。在經過相應地遠程調控檢驗后，干擾得到了消除。

3 結束語

本次多晶硅還原電源系統項目的順利交付，是基于團隊對于工程標準的嚴格執行的態度和面對困難的不懈努力、勇于嘗試的精神。

通過對復雜電磁環境下工控系統抗干擾技術的探索和研究，用科學的的態度設計方案、發現問題、設計實驗、進行試驗、驗證結果、分析結果，最終問題得到了順遂的解決。

抗干擾技術的實現，不僅解決了實際項目的問題，為以后的相關項目積累了經驗，還完善了解決項目難點的方法論，即便在未來的工程項目中遇到了其他類型更加困難的技術瓶頸，也能夠通過科學的態度和嚴謹的實驗進行處理和解決。

參考文獻：

[1]曾亞龍，丁國江，廖敏.改良西門子法多晶硅還原新技術研究進展[J].四川有色金屬，2009（2）：1-4.

[2]李世振.多晶硅還原爐的電器設備[J].東方電氣評論，2010，24（3）：62-68.

[3]孟傳良.工控系統的屏蔽和接地抗干擾技術[J].貴州工業大學學報：自然科學版，1999（1）：70-74.

[4]劉平.地線干擾與抑制對策[J].科技資訊，2009（17）：39.

[5]黃盛霖，孫永芹，姜海勛.基于工控系統的雙絞線抗干擾技術及其應用[J].國外電子測量技術，2004，23（6）：42-45.

[6]黃家平，王明皓，臧家左.屏蔽雙絞線的干擾耦合特性研究[J].電子測量技術，2009，32（11）：1-3.