1、抗干扰技术在电厂分散控制系统安装调试过程中的应用摘 要本文针对因电厂施工现场电磁干扰严重引发系统通讯故障、模件休眠、误动等疑难技术问题进行了详细的阐述，以及技术人员如何在施工、调试阶段综合采取的隔离、滤波、屏蔽、接地等抑制措施保证TXP 系统安全可靠运行进行了深入论述。 关键词分散控制系统；电磁干扰；抑制对策 中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0189-02 分散控制系统始终适应现代电厂的工程要求，其自动控制系统的结构与工 艺结构相一致，能清晰反映电厂生产过程的流程，整个系统根据不同的自动化水平要求分层组织，采用最新的软硬件标准，紧跟微电子技术快速
2、更新的周期。分散控制系统还是一个开放系统，可以方便地进行系统扩展，也可与其它厂商提供的自动控制系统相连。 干扰和接地历来是个复杂的、有点说不清楚的问题，处理不好，不仅会直接影响模拟量的测量精度，还会造成开关量的误跳变，引起设备的误启停，甚至损坏 DCS 模件，进而影响机组的稳定运行。 1 分散控制系统的功能组成及特点 电厂分散控制系统，集计算机、信号处理、通讯网络、测量控制、图形显示及人机接口技术一体，对生产过程进行监测、控制、操作、管理的全数字化控制系统。系统采用了分层结构，由现场级、控制级、处理级和操作监视级组成，并由通信网络将其有机地联系起来。 自动控制系统担负基本的自动化控制任务。它从
3、过程中采集测量值和状态值，完成开环和闭环控制，并把产生的命令送往过程。通常按功能划分为几大系统：数据采集系统、开关量控制系统、炉膛安全监控系统、模拟量控制系统、旁路控制系统等。 其主要特点： 系统的信息组织清晰、实时可靠共享、组态功能强大、开放扩展性能好。 系统安全冗余大，自诊断能力强，可靠性好。 2 系统电磁干扰的主要来源 电厂现场动力、控制、通讯线路密集，设备启停运转繁忙，而基于现场总线技术的分散控制系统又有几十乃至几百个 I/O（Input/Output）单元及若干个小型逻辑程序控制器 PLC 分布在现场，系统存在严重的电场和磁场干扰。高频高速全数字化的视频、广播及通信系统也已融入分散控
4、制系统，网络速率已经从以前的 10MBPS 提高到 100MBPS，乃至ATM155MBPS，622MBPS，信号频率越高，越容易产生辐射和耦合，而且越难抑制和屏蔽。另一方面由于现场大量采用了变送器、传感器、伺放机构等数字化终端，数字逻辑电路的频率已达到 50MHz 以上，数字电路是常见的宽带（频宽）电磁干扰源，脉冲信号的上升/下降时间不超过信号周期的 5%，这样陡的快速跳变信号包含了更多的频率更高的高次谐波分量，更容易产生电磁干扰。 3 电磁干扰的基本概念 干扰又叫噪声，是窜入或叠加在系统电源、信号线上的与信号无关的电信号，分为共模干扰和差模干扰（如图 1 所示） ，主要表现为电容性耦合、电
5、感性耦合、电磁场辐射三种形式。 形成干扰的基本要素有三个：干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述就是 du/dt、di/dt 大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介，典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。敏感器件，指容易被干扰的对象。如： AP（Automation Processor）自动化处理器，SU（Server Unit）数据存贮器， 弱信号放大器，解制器等。 4 电厂现场干扰的主要引入途径 电厂现场常见的干扰引入途径有以下三种： 电路中有公共的电阻支路或通过公共的接地回
6、路直接耦合引入的干扰（如图 2 所示） 。如果 A、B 两点的距离较远，则可能会有较大的电位差而引入较大的干扰。 电容电感耦合引入的干扰。当有很多信号同时接入系统，这些信号线或者走电缆槽，或者走电缆管，但肯定有很多种信号在一起走线，各类信号之间存在分布电容，分布电容会将干扰加到信号线上，同时，在交变信号的周围会产生交变的磁通，而交变磁通会在并行的导体之间产生电动势，这也会产生线路上的干扰。 电厂现场一些马达、变压器、高压开关及数字电子设备工作时所产生的电磁波，容易对周围的其他电气、电子设备形成电磁干扰，引发故障或者影响信号的传输。 5 抑制干扰的几种对策 5.1 隔离 将不同种类的信号线隔离铺
7、设 我们可以根据信号的抗干扰能力将不同种类的信号线分成几等在不同电缆槽中或用隔板隔开敷设： a 模拟量信号（模入、模出，特别是低电平的模入信号如热电偶信号、热电阻信号等）对高频的脉冲信号的抗干扰能力是很差的。建议采用双层计算机屏蔽电缆连接，且这类信号线最好不与其它信号线在同一电缆管（或槽）中走线。 b 低电平的开关量信号（一些状态为干结点的信号） ，数据通信线路（RS232、EIA485 等） ，抗干扰能力比上种信号要强，建议采用屏蔽双绞线连接。此类信号线也应尽量不与动力线及大负载信号线在一起平行走线。 c 高电平（或大电流）的开关量的输入输出、CATV、电话线，以及其它继电器输入输出信号，这
8、类信号的抗干扰能力又强于以上两种，但这类信号会干扰别的信号，因此建议采用双绞线连接。 信号源与计算机接口侧在电气回路上进行隔离 信号源与计算机接口侧在电气回路上进行隔离，这样，会大大地减小共模干扰对计算机造成的危害。如图 3 所示：用隔离放大器将信号的输入端子与计算机部分完全隔离。由于 C 和 D 之间地电位不同所产生的干扰信号不能形成回路，抑制了干扰的产生。 数字量 I/O（Input/Output）输入输出单元主要采用光电耦合隔离内外部电路。 供电系统的隔离 为了防止在供电线路上引入共模高频干扰信号，可以在供电线路上设隔离变压器进行干扰隔离。选用 UPS 时应注意选用带两级隔离变压器的 U
9、PS，为了达到好的干扰抑制效果，有两点必须注意： a 变压器的屏蔽层要良好地接地； b 变压器的次级线圈一定要用双绞线。 5.2 屏蔽 屏蔽就是用金属导体，把需屏蔽的设备和信号包围起来，是抑制磁场干扰耦合的常用办法。屏蔽低频磁场应采用铁、镍等导磁性好的材料。屏蔽高频磁场，考虑到集肤效应，应采用薄型良导体。电厂现场主要采取以下措施： 采用 CCGG 技术 主控制室的土建厂房采用 CCGG（Closed Controlled Grounding Grid）屏蔽网络，注意门、窗、预留孔的外框也要与主网连起来。 正确选择信号电缆 模拟量采用分屏+总屏计算机电缆为好。各种电缆的抗干扰频率指标为： a 普
10、通屏蔽电缆适用于 30kHz 以下； b 屏蔽双绞线适用于 100 kHz 以下，用双绞线代替两根平行导线能有效抑制磁场干扰。 必须保证屏蔽的连续性。 现场施工不便时，往往会发生省略穿线管，穿线管之间省略连接线，穿线管与测量元件之间不使用金属软管等施工情况，这样就会造成屏蔽不连续；还有中间接线盒内的进、出电缆的屏蔽层未对接浮空，这也是在施工现场极易疏忽的环节，往往也是出问题的地方，所以施工时必须强调屏蔽的连续性。 使用同轴电缆传输基带传输的数字信号 基带传输的数字信号一般使用同轴电缆来传输，施工时，电缆、终端盒、分支分配器均要选用具有良好屏蔽功能和隔离度较高的产品。 5.3 滤波 合理选择 E
11、MC（Electro Magnetic Compatibility）电磁兼容滤波器 在输入线与地间并接电容（即滤波器）可减少共模干扰，信号两极间加装 型滤波器可减少串模干扰。应合理选择滤波器，若串模干扰频率 fn 大于被测信号频率 fs，则选用低通滤波器；若 fnfs，则选用高通滤波器；若 fn 超出被测信号频谱范围，则选用带通滤波器；若 fn 与 fs相当，则只能选用数字滤波法。 数字滤波法 数字滤波的实质是通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，保护有用信号，减弱或消除干扰信号。一般是把多次采集到的数据由小到大进行排列，去掉几个最大值和最小值，达到去伪存真的目的，在电厂热控系统软件调试中
12、常采用以下几种方法： a 程序判断滤波法，适合于被测信号变化频率低的场所，如温度、液位的测量。 b 算术平均滤波法和加权滤波法，用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工。 c 中值滤波法。对于严重的干扰信号有较强的抑制作用。 d 一阶滞后滤波法，适用于温度、液位等变化缓慢参量的滤波，相当于 RC 滤波器。 e 复合滤波法，即在前述方法中选用两种或两种以上的方法合并使用，效果更好。 5.4 接地 接地是消除干扰的主要方法。接地的任务有两个，首先是尽量减少让多个电路的电流流经一个“共同地端阻抗” ；其次是尽量避免因不同接地电位所造成的接地回路。 点接地的选择方法 分散控制系统是由多台设备组成
13、的，除控制站外，还包括很多外设，这就涉及到了多台设备，多种接地的问题，就成本的观点来看，多点并联接地法耗费最多，而单点串联接地较经济；但从接地阻抗的角度来看，由于并联效应和每个接地回路路径较短，多点并联接地阻抗最小。一般而言，频率小于 1MHZ 的电路装置用单点串联接地法，频率大于 10MHZ 电路装置，则常采用单点并联接地法，多点并联接地由于存在电势差及成本高的原因用得较少。图 7 是一种典型的多站接地图。 a、系护地（CG） 。该保护地一般在机柜设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部与电源进线的保护地（三芯插头的中间头）连在一起，有的不允许将保护地与该线相连。不管哪种方式，
14、必须用较粗的绝缘铜导线先将各站 的 CG 连起来，然后集中到一点与大地接地系统相连。还有一点值得提醒的是，DCS 的所有外设必须从一条供电线上供电，而且一台设备（如操作员站）所连接的所有外设和主机系统（CRT、打印机、拷贝机主机等）的电源必须从该设备的供电分配器上取电，而不允许从其它地方取电，否则可能会烧坏接口甚至设备。 b、 电源逻辑地（PG） 。各站的 PG 在连接时采用幅射连接法，首先，各站内的逻辑地必须位于一点 PG，然后，用粗绝缘导线以辐射状接到一点上，然后接到大地接地线上。在有些系统中，所有的输入、输出均是隔离的，这样其内部逻辑地就是一个独立的单元，与其它部分没有电气连接，这种系统
15、中往往不需要 PG 接地，而是保持内部浮空。所以，在施工接地系统时，一定要仔细阅读产品的技术要求和接地要求。 c、模拟地（AG） 。模拟地（又叫屏蔽地）是所有的接地中要求最高的一种。几乎所有的系统都提出 AG 一点接地，而且接地电阻1？。 DCS设计和制造中，在机柜内部都安置了 AG 汇流铜排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到 AG 汇流铜排上，然后将各机柜的汇流点再用单芯铜电缆连到接地点。大多数的 DCS 要求，不仅各机柜 AG 对地电阻1？，而且各机柜之间的电阻也要1？。 实际情况中，由于部分系统机柜的系统的保护地（CG） 、电源逻辑地（PG） 、 模拟地（AG）其中的一个或多个已与
16、机柜外壳金属相连，为保证一点接地，安装机柜过程中，将机柜和机柜基础型钢保持绝缘，一般情况下要求 3M？以上，验收机柜和基础之间的绝缘情，合格后方可进行下道施工工序。 现场信号接地的处理 现场信号接地时，屏蔽层应在信号源侧接地，信号源不接地时，屏蔽层应在测控端接地，一定要避免多点接地。 （3）型信号接地及一点接地方法 典型接地系统，由接地线、接地汇流排、公用连接板、接地体等几部分组成对单用户接地引线至公用连接板应采用 VV-1 1*16 mm2 铜导线，对多用户接地引线至公用连接板应采用 VV-1 1*50 mm2 铜导线，对公用连接板接地引线至接地网应采用 VV-1 1*95 mm2 铜导线.
17、 低频电路（f1MHZ）电缆的屏蔽层接地应采用单点接地的方式，屏蔽层接地点应与 电路的接地点一致，一般是电源的负极。对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一点接地，但屏蔽层应相互绝缘。 高频电路电缆的屏蔽层接地应采用多点接地方式。高频电路的信号在传输过程中会产生严重的电磁辐射，数字信号的传输会严重的衰减，如果没有良好的屏蔽，会使数字信号产生错误。一般采用以下原则：频率低于 lMHz 时可采用一点接地方式，高于 10MHz 时应采用多点接地。在110MHz 之间，如采用一点接地，其地线长度不得超过波长的 1/20，否则应采用多点接地 接地的误区：将电缆中的备用芯两侧接地，由于电缆两端的电位差，更容易引
18、入新的干扰源。 6 提高系统本身的抗干扰性能 闲置的 I/O 口，不要悬空，要接地或接电源，其它 IC 的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源；将不用的代码空间全清成“0” ，因为这等效于 NOP，可在程序跑飞时归位。 AP 功能模件合理分区，尽可能把干扰源 （如电机，继电器）与敏感元件远离；用地线把数字区与模拟区隔离。 使用电源监控及看门狗电路，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。 涉及到处理外部元件参数调整或设置时（如进行扰动试验、流量参数的修正） ，为防止外部元件受干扰而出错可定时将参数重新发送一遍，这样可使外部元件尽快恢复正确。 实际工作中，我们发现将 Data 线、CLK 线、I
19、NH 线常态置为高，其抗干扰效果要好过置为低。通讯中的抗干扰，可加数据校验位及采取3 取 2 或 5 取 3 策略，降低误码率。 7 结论 电磁干扰是一门复杂的技术，世界上有许多机构组织负责执行“电磁兼容”标准的认证工作。商用设备的标准都是由各国负责通信的部门来制定，其中德国 FTZ/VDE 和美国的 FCC 是两个比较权威的认证机构。目前执行的主要标准基本来源于美国国防部的法规，其中最主要的文件是 MIL-STD-461 和 462B。以上四种抗干扰措施是根据电厂现场特点提出的，针对不同的项目不同的现场，应有不同的处理方法。屏蔽与接地是分散控制系统开发者的一项技术内容，而作为现场安装与调试的工作人
