關于DCS控制系統的抗干擾問題分析

張澤平

【摘要】本文對DCS系統抗干擾問題進行了分析和總結

【關鍵詞】DCS系統；抗干擾；措施

DCS系統因其具備復雜的模擬回路調節能力、完善的現場總線技術高速邏輯、順序控制性能、友好的人機界面及方便的工程軟件和極好的擴展性，已應用于工業控制中的方方面面，控制系統的運行可靠性將直接影響到工業生產的安全平穩運行，甚至主宰了生產過程的命脈。系統的抗干擾能力既關系到整個系統可靠運行的關鍵，也是保護DCS系統自身安全的需要。其中DCS系統接地是延長系統硬件使用壽命和提高系統抗干擾的有效措施。一套完整的DCS系統設計，接地部分是設計中的一大難題，很多的DCS系統接地因各種因素造成的后果不堪設想。系統控制器根據實際情況，安裝方式各有不同，有集中安裝在控制室的，有安裝在生產現場的，加上包含在系統中的現場一次檢測設備以及遠距離通訊電纜，它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中。要提高系統運行的可靠性，提高系統抗干擾能力，一方面要求設備自身的抗干擾能力；另一主要方面，就是在工程設計、安裝施工和使用維護中引起高度重視，把接地抗干擾當成一種首先考慮，并且必須做好的措施，才能有效解決問題。

一、干擾來源及對系統的干擾

（一）來自空間的電磁輻射干擾。系統成網絡狀延伸到生產現場的各個角落，其間不可避免的會受到空間電磁輻射的干擾。空間的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網絡、電氣設備的運行過程、雷電、無線電信號傳播等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。其影響主要通過兩條路徑：一是直接對DCS板卡內部電路的輻射，干擾電路程序產生誤動作；二是對通信網絡的輻射，由通信線路的感應產生干擾信號。輻射干擾與現場設備位置及設備所產生的電磁場大小，特別是與電磁頻率有關，一般通過設置接地、屏蔽和隔離進行保護。

（二）傳導干擾。主要通過供電電源和信號線引入，通常稱為傳導干擾。這種干擾在我國工業現場較嚴重。

（1）來自電源的干擾。DCS系統的正常供電一般設置雙路冗余供電，一路由電網經不間斷UPS凈化電源供電，一路由電網直接供電。由于電網覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上產生感應電壓和電流。尤其是電網內部的變化、開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流諧波等，都通過輸電線路傳到電源源邊，由于分布參數特別是分布電容的存在，絕對的隔離，消除供電干擾是不可能的。（2）來自輸入、輸出信號線路引入的干擾。與DCS控制系統連接的各類信號傳輸線路，覆蓋范圍廣泛，環境復雜。其除了傳輸有效的各類信息之外，也會將外部各類干擾信號導入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過傳感器供電電源串入的電網干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量準確度降低，嚴重時將損壞整個板卡。甚至還將導致信號間互相干擾，通過共地系統，形成回流，造成控制程序紊亂和系統誤動作。

（三）系統互擾。

電子設備既是干擾的受害者，也是產生干擾的根源之一。

（1）來自接地系統混亂時的干擾。接地是提高電子設備電磁兼容性（EMC）的最有效手段。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發送干擾信號；而錯誤的接地，因各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，可能構成閉合環路，產生地環路電流，通過各種形式的耦合，使各系統之間或一個系統內部產生干擾，影響系統內電路的正常工作；影響DCS系統的邏輯運算和數據存貯，造成數據混亂、程序紊亂或系統發出錯誤動作指令。這樣不但不能消除干擾，反而會引入嚴重的干擾信號，使DCS系統無法正常工作。（2）來自DCS系統內部的干擾。主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生。這屬于制造廠對系統內部進行電磁兼容設計的內容。

二、系統抗干擾的措施

DCS系統的抗干擾是一個系統工程。要抑制或遠離干擾源；切斷或衰減干擾的傳播途徑；提高裝置和系統的抗干擾能力。這就是抑制和消除干擾的基本原則。

（一）采用性能優良的電源，抑制電網引入的干擾。在DCS控制系統中，電網干擾串入系統主要通過DCS系統的供電電源、傳感器供電電源和與DCS系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的。對于DCS系統供電的電源、傳感器供電電源和DCS系統有直接電氣連接的儀表供電電源，一般都采用隔離性能較好的電源。

（二）電纜的選擇及敷設。信號電纜盡量選擇屏蔽電纜，不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應按傳輸信號種類分層敖設，嚴禁用同一電纜的不同導線同時傳送動力電源和信號，避免信號線與動力電纜靠近平行敖設，以減少電磁干擾。并合理接地，從而降低動力線產生的電磁干擾。

（三）軟件抗干擾措施。由于電磁干擾的復雜性，尤其是在工業生產環境下，硬件抗干擾措施并不能將各種干擾完全拒之門外。要根本消除干擾影響是不可能的。因此在系統的軟件設計和組態時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統的可靠性。常用的一些措施如數字濾波、限幅和工頻整形采樣等，可有效消除外界干擾。

（四）硬件設備的抗干擾措施。（1）硬件抗干擾措施的目的是盡可能地切斷干擾進入控制系統。可采用信號在接入系統前，在信號線與地間并接電容、線路上增加續流或分流器件等措施，以減少共模干擾和差模干擾。（2）盡量遠離避開大功率電氣設備，如必須經過或一次設備安裝在其附近時，需要設置單獨的屏蔽層進行電磁隔離，或隔離與DCS有直接電氣連接的一次部件，或隔離電器設備，視情況而定。信號電纜宜采用雙屏蔽電纜，并合理接地。

（五）正確選擇接地點，完善接地系統。接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統是DCS系統抗干擾的重要措施之一。除了系統本身的接地，還牽涉到與系統有直接或間接電器連接的設備的接地、消除機房靜電的接地、機房本身屏蔽的接地等。

三、結束語

DCS控制系統中的干擾是一個十分復雜的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，具體情況具體分析，根據實際對癥下藥，才能合理有效地抑制抗干擾，才能夠使DCS控制系統正常工作。