DCS控制系统抗干扰研究

DCS控制系统抗干扰研究

牛小鹏

山西京能吕临发电有限公司 033200

摘要：随着科学技术的发展，DCS在工业控制中的应用越来越广泛。DCS控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行。要提高DCS控制系统可靠性，一方面要求DCS生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面DCS接地系统的可靠性，又在很大程度上决定了该系统抗干扰能力的强弱。

关键词：DCS抗干扰可靠性

1、DCS控制系统中干扰的主要来源

由于测控信号是一种微弱的直流或变化缓慢的交变信号，最后还有过长距离传输过程，因此像大功率电机和其它电气设备产生的磁场，高压电气设备产生的电场以及各种电磁波辐射等的存在和变化都将以不同的途径和不同的方式混入测控系统中。通常来说干扰仪表测控系统的干扰源主要有电力网络和电气设备的暂态过程、雷电等引起空间的辐射干扰和系统电源线、信号引线、接地等引起的系统外引线干扰。这些干扰总体上分为两大类：外部干扰和内部干扰，详细分析无外乎由于辐射、传输、感应、电源、接地几个方面。下面对常见的几种干扰机制进行分析。

来自空间的辐射干扰。空间的辐射电磁场主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生。若DCS系统臵于所射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对DCS内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对DCS通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布臵及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设臵屏蔽电缆和DCS局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

电容电感耦合干扰。工业控制系统有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中，导线之间形成相互耦合是通道干扰的主要原因之一，在被控现场，往往有很多信号走电缆槽同时接入控制系统，这些信号电缆在一起走线，之间均有分布电容存在，会通过这些分布电容将干扰加到别的信号电缆上。另外，在交变信号电缆的周围会产生交变的磁通，而这些交变磁通会在并行的导体之间产生电动势，这也会造成线路上的干扰。

计算机供电线路上引入的干扰在大型电气设备启动和开关装臵动作频繁的地方，电动机的启动、开关的闭合产生的火花会在其周围产生很大的交变磁场．这些交变磁场既可以通过在信号电缆上耦合产生干扰，也可能通过在电源电缆上耦合产生高频干扰，这些干扰如果超过容许范围，同样会影响系统的工作。

其它因素。接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使DCS系统将无法正常工作。雷击可能在系统周围产生很大的电磁干扰，也可能通过各种接地线引入干扰。静电也往往成为毁坏系统设备的杀手。

综上所述，我们可以总结出各种干扰源对测量装臵及检测系统产生干扰电流（电压），需同时具备三个要素：干扰源；传播途径；接收器。

2、DCS控制系统的抗干扰措施研究

为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装臵和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。随着自动化水平日益提高，智能化仪表的普遍应用，以上几种措施在硬件方面通常采取隔离、屏蔽、抑制、接地、双绞、滤波技术实施完成。在软件方面，像数字滤波、数字处理等更多的抑制干扰的措施和方法得以应用，仪表测控系统安全水平大大提高。

隔离的主要目的是通过隔离元件把干扰源的路径切断，从而达到抑制干扰的效果。隔离包含两种意义：一为可靠绝缘，即保证导线之间不会产生漏电流，所以要求导线绝缘材料的耐压等级、绝缘电阻必须符合规定；另一为合理配线，即要求信号线尽量避开干扰源。

屏蔽是抑制干扰的重要方法。屏蔽和抑制是用金属导体把被屏蔽的元件、组合件、电路及信号线包围起来，主要用于抑制电容性藕合噪声，效果很好。主要的理论依据是：屏蔽层也是一个导线，当其长度与电缆芯传送信号的四分之一波长接近时，屏蔽层相当于一根天线。在DCS系统中，低频的信号线，只能将屏蔽层的一端接地，否则屏蔽层两端的电位差会在屏蔽层中形成电流，产生干扰，对于信号频率较高的信号推荐两端接地。接地按其作用可分为保护性接地和功能性接地。

保护性接地，主要有如下几种。放电击接地：为了防止电气设备绝缘损坏或产生漏电时，使平时不带电的外露导电部分带电而导致电击而将设备外露导电部分接地，称为放电击接地。这种接地，也是通常的狭义的“保护接地”，它又分为保护导体接地（PE，也称为保护接地），和保护中性导体接地（PEN，也称为保护接零）两种。防雷接地：：将雷电导入大地，防止雷电流、雷磁场使设备受到损害。防静电接地：将静电导入大地，防止雷电流、雷磁场使设备受到损害。放电蚀接地：地下埋入金属体作为牺牲阳极或阴极，防止电缆、金属管等受到电蚀。

功能性接地，主要有如下几种。逻辑地：也称为电源地，逻辑地一般可以在机柜内以星型方式联结到一点，该点一般也是与机柜绝缘的汇流条。通常，逻辑地可与屏蔽地共用汇流条。屏蔽接地：将电气干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰对电子设备的影响，同时也可减少自身对外的干扰。

良好的接地是使工业控制机系统稳定运行、消除干扰的重要措施。如果应用

得法，可以明显提高系统的抗干扰能力

3、主要抗干扰措施

3.1采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰。在DCS控制系统中，电源占有极重要的地位。DCS系统接地点和动力强电系统接地如果共地，接地电阻必须≤1Ω，DCS如果单独接地，接地电阻≤4Ω，DCS供电要尽量取自负荷变化小的电网上。要严格防止强电通过端子排线路串入24VDC供电回路。

3.2电缆敷设要正确。正确敷设电缆的前提是对信号电缆进行正确分类，将不同种类的信号线隔离铺设（不在同一电缆槽中，或用隔板隔开），使模拟信号部分，相互间的信号耦合为最小。禁止大功率的开关量出线信号、电源线、动力线等电缆与直接进入DCS系统的信号电缆并行捆绑，这些线的电缆与信号电缆之间的距离应该大于600mm，建议单独走线。严禁同一信号的几芯线分布在不同的几条电缆中。当动力线和信号线平行敷设时，两者必须保持一定的间距，不同信号辐值的信号线不宜穿在同一导线管内。在采用金属汇线槽敷设时，不同辐值导线、电缆与电力线需用金属隔板隔开。信号回路必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。

3.3硬件滤波及软件抗干扰措施。信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。

3.4正确选择接地点，完善接地系统。DCS接地系统的可靠性，又在很大程度上决定了该系统抗干扰能力的强弱。所以，DCS接地系统应该具备二种功能：1、当进入DCS系统的信号、供电电源或DCS系统设备本身出现问题时，能有效地承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地。2、接地系统应能够为DCS提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整个控制系统提供公共信号参考点，即参考零电位。为了满足上述功能，DCS系统一般具有2个接地，即保护接地和工作接地。

4、结束语

工业控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰研究应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使DCS控制系统正常工作。