現(xiàn)場(chǎng)典型抗干擾問(wèn)題的分析與處理

劉勇

【摘 ?要】本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐中遇到的問(wèn)題對(duì)抗干擾問(wèn)題進(jìn)行了定性的分析和研究，提出了現(xiàn)場(chǎng)解決與之相關(guān)的問(wèn)題的方案。

【關(guān)鍵詞】DCS;干擾;接地

This site works according to the problems encountered in practice interference issues on qualitative analysis and research，made the scene to solve the problems associated with the program。

引言

DCS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。雖然無(wú)論是控制系統(tǒng)硬件廠商還是電建施工人員都從各自的角度出發(fā)盡量提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但由于DCS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)所處電磁環(huán)境的復(fù)雜性以及設(shè)備硬件本身的抗干擾能力的局限性，實(shí)際運(yùn)行中，控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性往往受到電磁干擾的挑戰(zhàn)。遇到此類問(wèn)題，檢修人員往往知道問(wèn)題的癥結(jié)，但缺乏有效的解決方案，本文根據(jù)幾個(gè)電力生產(chǎn)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，提出解決此類問(wèn)題的一般方法。

1、問(wèn)題引出

某電廠機(jī)組DCS系統(tǒng)、輔控PLC系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行后發(fā)生過(guò)幾次典型的電磁干擾引起的異?，F(xiàn)象，現(xiàn)就其現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理、問(wèn)題的處理方案和引申出的防范措施和大家共同探討。

1）6A引風(fēng)機(jī)軸承溫度跳變處理

該電廠6號(hào)機(jī)組6A引風(fēng)機(jī)軸承溫度測(cè)量為熱電阻元件，共9個(gè)點(diǎn)，5、6、7、8、9位于同一電纜，其中7、8、9和電機(jī)線圈溫度在同一模塊。該模塊的所有溫度信號(hào)均不定期的同時(shí)跳變，跳變幅度3～6℃，其他信號(hào)正常。圖中每一點(diǎn)為三路導(dǎo)線，元件采用三線制接法。

檢查就地溫度元件阻值穩(wěn)定、模塊及端子板通道正常、電纜屏蔽DCS側(cè)接地良好、電纜線間絕緣對(duì)地絕緣均符合規(guī)定，判斷問(wèn)題由電磁干擾引起。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在就地元件打掉的情況下只要7、8點(diǎn)在DCS側(cè)接入，就會(huì)對(duì)該模塊上其他信號(hào)造成干擾，將7、8點(diǎn)電纜導(dǎo)線引入其它模塊中現(xiàn)象依然。實(shí)際表明該模塊單通道引入的干擾會(huì)影響整個(gè)模塊的正常工作。疑問(wèn)：為何6A引風(fēng)機(jī)軸承溫度電纜中其它導(dǎo)線未對(duì)模塊引入干擾。分析如下：

首先介紹一下屏蔽的作用和屏蔽層的材料對(duì)屏蔽效果的影響。

屏蔽是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體地講，就是用屏蔽體將電子元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來(lái)，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散;用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來(lái)，防止它們收到外界電磁場(chǎng)的影響。屏蔽體對(duì)來(lái)自導(dǎo)線、電纜、元部件以及電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)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(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場(chǎng)，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：（1）當(dāng)干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí)，利用低電阻率（高電導(dǎo)率）的金屬材料中產(chǎn)生的渦流，形成對(duì)外來(lái)電磁波的抵消作用，從而達(dá)到屏蔽的效果。（2）當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時(shí)，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到屏蔽的空間去。（3）在某些特定場(chǎng)合下，如果要求對(duì)高頻和低頻電磁場(chǎng)都具有良好的評(píng)比效果時(shí)，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)6A引風(fēng)機(jī)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(jié)構(gòu)為銅帶包敷方式。該類電纜對(duì)高頻電磁干擾屏蔽效果較好，但對(duì)于頻率較低的電磁干擾則效果較差。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)多處由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件所限制，動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜分層敷設(shè)的原則并未完全貫徹，存在動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜混放的現(xiàn)象。由于電力強(qiáng)電線纜多為非屏蔽電纜，其交變電流會(huì)在周圍會(huì)產(chǎn)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(huán)境中，如果低頻電磁能量達(dá)到一定值就會(huì)在控制電纜內(nèi)導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，造成線路上的干擾。某一導(dǎo)線上的干擾大小和它與周圍介質(zhì)形成的電路結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，當(dāng)該電路的諧振頻率和干擾頻率接近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較高的干擾電動(dòng)勢(shì)，對(duì)有用信號(hào)影響較大。

同一電纜內(nèi)的導(dǎo)線所處的電磁環(huán)境一致，但由于其相對(duì)位置的不同造成其電路結(jié)構(gòu)參數(shù)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(hào)強(qiáng)弱不同。干擾信號(hào)達(dá)到一定程度就會(huì)使信號(hào)失真，再達(dá)到一定程度就會(huì)造成對(duì)模塊的其它通道的干擾。

明確了引起本次現(xiàn)象干擾產(chǎn)生的機(jī)理，確定以下方案。

方案一：找到干擾的部位，分開動(dòng)力電纜，減小該信號(hào)電纜周圍的低頻電磁能量。

方案二：重新敷設(shè)該信號(hào)電纜，采用對(duì)絞對(duì)屏電纜，以增強(qiáng)抗低頻、高頻干擾的能力。

方案三：將7、8點(diǎn)的信號(hào)線通過(guò)電容接地，改變7、8點(diǎn)導(dǎo)線與周圍介質(zhì)形成的電路結(jié)構(gòu)參數(shù)。

實(shí)施過(guò)程中，綜合考慮選用方案三。將7、8點(diǎn)的信號(hào)線通過(guò)100uF電容接地，原理圖如下：

該方案的關(guān)鍵是確定接地電容的容量，根據(jù)試驗(yàn)，電容容量范圍在22uF～220uF效果比較好，既可以消除電磁干擾對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響又可以保證量值有較好的動(dòng)態(tài)特性。但該方案的前提是必須保證接地電容的質(zhì)量品質(zhì)。如果電容漏阻較大或則損壞，會(huì)對(duì)測(cè)量引入更大的干擾甚至破壞。如果條件允許更推薦方案二。

2）碎煤機(jī)狀態(tài)顯示不正常處理

該電廠輸煤程控PLC系統(tǒng)，6A、6B碎煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、各報(bào)警狀態(tài)自投運(yùn)以來(lái)都不能正常顯示。碎煤機(jī)的各種狀態(tài)由就地?zé)o源干接點(diǎn)提供，通過(guò)16芯普通屏蔽電纜送至PLC程控柜，經(jīng)柜內(nèi)中間繼電器隔離后送干接點(diǎn)信號(hào)至PLC模塊。中間繼電器驅(qū)動(dòng)電源為交流220V。只要就地任一干接點(diǎn)閉合，相應(yīng)中間繼電器勵(lì)磁，其它的同一電纜的中間繼電器都會(huì)時(shí)斷時(shí)續(xù)的勵(lì)磁，其線圈兩端有高達(dá)150V～230V的交流電壓，PLC上碎煤機(jī)的狀態(tài)顯示出現(xiàn)非正常變化。

該電纜兩端接線如圖3所示（只畫出三路信號(hào)代表）：其中J1、J2、J3為就地?zé)o源干接點(diǎn)，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(tǒng)的屏蔽均無(wú)問(wèn)題，確定是電磁干擾引起。干擾產(chǎn)生的原因是：該電纜從始端到終端長(zhǎng)達(dá)700米，同一電纜內(nèi)的傳輸導(dǎo)線間有較大的分布參數(shù)。只要有就地接點(diǎn)閉合，與之連接的兩根導(dǎo)線內(nèi)就會(huì)流過(guò)工頻電流，由于電纜很長(zhǎng)且內(nèi)部導(dǎo)線走向一致，交變電流產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)對(duì)其它導(dǎo)線形成的感應(yīng)電勢(shì)以及阻抗互相耦合產(chǎn)生的耦合電勢(shì)大到已足可以驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈。根據(jù)分析，有兩種方案可供選擇：

A、減少干擾源的電磁輻射。利用高品質(zhì)的多芯對(duì)絞對(duì)屏電纜替代原來(lái)的普通屏蔽電纜，對(duì)絞對(duì)屏電纜可以有效的消除電纜線內(nèi)的相互干擾。

B、改變干擾源的性質(zhì)，更改原來(lái)中間繼電器的驅(qū)動(dòng)模式。經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)測(cè)，單個(gè)回路的導(dǎo)線電阻約20歐姆，而一般的直流24V的繼電器線圈阻值超過(guò)16千歐，因此可以用直流24V的繼電器更換原來(lái)的交流中間繼電器，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源改用直流24V。大幅降低電纜內(nèi)部導(dǎo)線間的電磁干擾。

從整體的性價(jià)比上和施工的難度上考慮最終選用方案B。改造原理如圖4：

改造后，碎煤機(jī)的狀態(tài)監(jiān)視恢復(fù)正常。結(jié)論：長(zhǎng)距離控制系統(tǒng)的控制電源宜采用直流電源。

3）化水工業(yè)泵運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)跳變

該電廠化水控制系統(tǒng)PLC采用施耐德昆騰系列，化水工業(yè)泵就地設(shè)置遠(yuǎn)程I/O柜，通過(guò)同軸電纜將數(shù)字量信號(hào)送至化水PLC系統(tǒng)過(guò)程控制網(wǎng)，傳輸距離180米。自投產(chǎn)以來(lái)頻繁出現(xiàn)化水工業(yè)泵運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)翻轉(zhuǎn)（實(shí)際工業(yè)泵未跳），引起運(yùn)行泵出口門關(guān)閉，導(dǎo)致運(yùn)行泵跳閘現(xiàn)象。

檢查同軸電纜的絕緣、屏蔽以及PLC系統(tǒng)的屏蔽及各接地均無(wú)問(wèn)題。但發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)多處動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜混放嚴(yán)重。分析：動(dòng)力電纜產(chǎn)生的強(qiáng)交變磁通，對(duì)同軸電纜的信號(hào)傳輸影響較大。

根據(jù)分析，首先用雙屏蔽層的同軸電纜替換原線纜，翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象有所減少，但依然存在。最后決定改變信號(hào)傳輸方式，采用光纜傳輸，徹底消除電纜電磁干擾的影響。改造后化水工業(yè)泵運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象沒(méi)有再出現(xiàn)。

結(jié)論：在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下，距離較遠(yuǎn)的數(shù)字信號(hào)傳輸宜采用光纜。

2、問(wèn)題的一般解決方案

通過(guò)以上異?，F(xiàn)象的分析、處理及總結(jié)，得出現(xiàn)場(chǎng)解決干擾問(wèn)題的一般方法為：

首先排查電纜的絕緣狀況（線間絕緣、線地絕緣）、屏蔽層接地狀況，前提是檢測(cè)元件、檢測(cè)放大回路無(wú)異常，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題的情況下應(yīng)從以下著手：

A.確認(rèn)干擾源或確認(rèn)干擾性質(zhì)

根據(jù)干擾對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有用信號(hào)影響的特點(diǎn)，分析是否和周圍的電磁環(huán)境、電焊作業(yè)、大型設(shè)備的啟停相關(guān)，如不相關(guān)則單獨(dú)測(cè)定信號(hào)線纜對(duì)地、線間交直流電壓是否異常，如異常則屬于強(qiáng)干擾，一般由動(dòng)力電纜的強(qiáng)交變磁場(chǎng)造成，如無(wú)異常很可能是回路竄入了高次諧波信號(hào)。采用信號(hào)線逐路接入的方式可以判明干擾的具體引入點(diǎn)。

B、消除干擾源或減弱干擾強(qiáng)度

如果確認(rèn)干擾源是某一固定的裝置或線纜，可以通過(guò)技術(shù)改造減小干擾源的電磁輻射或改變干擾源的性質(zhì)。例如對(duì)固定干擾源加屏蔽設(shè)施并接地，對(duì)于不能避免的動(dòng)力線引入的電磁干擾，信號(hào)電纜采用對(duì)絞對(duì)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(hào)隔離裝置

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

D、采用接地電容或?yàn)V波電容

對(duì)于共模轉(zhuǎn)串模造成的干擾采用線纜通過(guò)電容接地會(huì)有很好的效果，對(duì)于電磁感應(yīng)造成的串模干擾可以采用信號(hào)回路間加濾波電容的方式。。但該方法有一定的局限性，它一般只能用于直流信號(hào)回路。

E、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的特殊性和共性，采用具有針對(duì)性的屏蔽電纜，以增強(qiáng)電纜的抗低頻、高頻干擾的能力;對(duì)于距離較遠(yuǎn)的數(shù)字信號(hào)傳輸最好采用光纜。

3、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，干擾源一般是多種效應(yīng)的綜合，對(duì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的主要干擾源很難判斷，因此消除干擾源很困難。根本的辦法還是提高系統(tǒng)本生的抗干擾能力。這就要求我們從傳輸方式的確定、設(shè)備的選型、設(shè)備的安裝、電纜的選型、電纜的敷設(shè)、接地點(diǎn)的選擇等等各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)。只有每一環(huán)節(jié)都符合相應(yīng)的規(guī)定，才能最大限度的提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

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（作者單位：大唐略陽(yáng)發(fā)電有限責(zé)任公司）