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仪表控制系统抗干扰技术浅析

--仪表控制系统抗干扰技术浅析

供稿:北京平和创业科技发展有限公司 2011/2/10 17:13:00

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  • 关键词: 控制系统 抗干扰 信号
  • 摘要:本文通过简要分析过程控制系统中产生信号干扰,和可能引控制系统联锁动作不安全因素,针对性地提出一般解决方法,并结合具体事例,总结了防范措施。

引言

  仪表及控制系统的可靠性设计是一项系统工程,它直接影响到工业生产装置是否安全、长周期稳定运行,而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。随着DCS、现场总线技术的应用,被控及检测对象分布在装置不同的地方,它们与控制站之间有较长的距离,受到噪声干扰的风险也随之增大。其次,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的电磁环境中,同时也受到来自自空间的辐射、系统外引线干扰等问题。因此,除有用信号外,必然会有一些与被测信号无关的电流或电压存在,这种无关的电流或电压通称为“干扰”(噪声)。在测量过程中,这些干扰若不能很好地处理,那它将歪曲测量结果,严重时可能使仪表或控制站不能正常工作。大量实践说明,抗干扰性能是现代化工业所面临的重要问题,尤其是在DCS、现场总线技术的广泛应用,有效地排除和抑制各种干扰,已成为必需探讨和解决的问题 。因此,要提高控制系统可靠性,一方面要求生产厂家提高设备的抗干扰能力;另一方面,要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视,多方配合才能完善解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能。

1、干扰源及干扰一般分类

影响DCS系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样,大都产生在电流或电压剧烈变化的部位,这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源,即干扰源。

    干扰类型通常按干扰产生的原因、干扰模式和干扰的波形性质的不同划分。其中:按干扰产生的原因不同,分为放电干扰、浪涌干扰、高频振荡干扰等;按噪声的波形、性质不同,分为持续干扰、偶发干扰等;按干扰模式不同,分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差,主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的配电器供电室,变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压,(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因),这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压,主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压,这种让直接叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。 

2 仪控系统的信号干扰因素

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、温度、湿度、振动、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:

1传导干扰

  1)当几种信号电缆在一起传输时,由于绝缘材料老化、漏电而影响到其它信号,即在其它信号中引入干扰。

  2) 在一些现场仪表中,采用220V电源供电,有时设备烧坏,或者人为因素,造成电源与信号电缆间短路,强电窜入弱电,造成较大的干扰和设备损坏。

  3) 由于接地不合理引起的共模干扰。如果信号电缆的两端同时接地,则两点的接地系统可能出现电位差异△E,可能会在信号电缆上产生一个很大的环流,叠加在信号电流上,造成模拟量信号波动,严重时可能引起卡件故障。

  4) 在运行过程中,卡件发出的采集信号长时间接地,形成的接地电流超过允许值,导致通道损坏。

  以上这几种传导干扰中,由于现代仪控系统自身的设备状态都有保障,因此,由于绝缘材料老化或设备烧坏等原因引起的干扰较少出现,而由于接地引起的干扰较为常见,也比较难以捉摸,应该给予足够的重视。

2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或者走电缆管同时接入控制系统,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。

3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置动作频繁的地方,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。

  4其它因素

  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。

 从以上所述,我们可以总结出各种干扰源(噪声源)对测量装置及检测系统产生干扰电流(电压),需同时具备三个要素:⑴干扰源;⑵传播途径;⑶接收器。

3 通用的抗干扰技术

    已知装置控制系统需要“三要素”同时满足才会受到干扰,因此只要消除三个要素中任意一个,干扰就不存在了,因此消除和减弱噪声干扰的方法亦应针对三项因素采取措施,即:⑴消除或抑制噪声源;⑵阻截干扰传递途径;⑶增强仪表电路自身的抗干扰能力。随着装置的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。

 3.1 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

3.1.1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。譬如  

3.1.2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,除了电气屏蔽,还有强交变磁场的干扰,因此还应考虑磁屏蔽,即用导磁性能好的导体进行屏蔽。要是屏蔽起作用,屏蔽层必须接地,有的采用单点接地,有的采用多点接地,多点接地不便时,在两端接地。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(100KHZ)信号推荐两端接地。

3.2接地按其作用可分为保护性接地和功能性接地。

3.2.1保护性接地

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。

3.2.2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。

3.2.3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。<

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