2 儀控系統(tǒng)的信號(hào)干擾因素

由于測(cè)控信號(hào)是一種微弱的直流或變化緩慢的交變信號(hào)，最后還有過長距離傳輸過程，因此像大功率電機(jī)和其它電氣設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)，高壓電氣設(shè)備產(chǎn)生的電場(chǎng)以及各種電磁波輻射等等的存在和變化都將以不同的途徑和不同的方式混入測(cè)控系統(tǒng)中。通常來說干擾儀表測(cè)控系統(tǒng)的干擾源主要有電力網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統(tǒng)電源線、信號(hào)引線、接地等引起的系統(tǒng)外引線干擾。這些干擾總體上分為兩大類：外部干擾和內(nèi)部干擾，詳細(xì)分析無外乎由于輻射、溫度、濕度、振動(dòng)、傳輸、感應(yīng)、電源、接地幾個(gè)方面。下面對(duì)常見的幾種干擾機(jī)制進(jìn)行分析:

（1）傳導(dǎo)干擾

　　1）當(dāng)幾種信號(hào)電纜在一起傳輸時(shí)，由于絕緣材料老化、漏電而影響到其它信號(hào)，即在其它信號(hào)中引入干擾。

　　2） 在一些現(xiàn)場(chǎng)儀表中，采用220V電源供電，有時(shí)設(shè)備燒壞，或者人為因素，造成電源與信號(hào)電纜間短路，強(qiáng)電竄入弱電，造成較大的干擾和設(shè)備損壞。

　　3） 由于接地不合理引起的共模干擾。如果信號(hào)電纜的兩端同時(shí)接地，則兩點(diǎn)的接地系統(tǒng)可能出現(xiàn)電位差異△E，可能會(huì)在信號(hào)電纜上產(chǎn)生一個(gè)很大的環(huán)流，疊加在信號(hào)電流上，造成模擬量信號(hào)波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能引起卡件故障。

　　4） 在運(yùn)行過程中，卡件發(fā)出的采集信號(hào)長時(shí)間接地，形成的接地電流超過允許值，導(dǎo)致通道損壞。

　　以上這幾種傳導(dǎo)干擾中，由于現(xiàn)代儀控系統(tǒng)自身的設(shè)備狀態(tài)都有保障，因此，由于絕緣材料老化或設(shè)備燒壞等原因引起的干擾較少出現(xiàn)，而由于接地引起的干擾較為常見，也比較難以捉摸，應(yīng)該給予足夠的重視。

（2）電容電感耦合干擾

工業(yè)控制系統(tǒng)有幾十乃至幾百個(gè)輸入輸出通道分布在其中，導(dǎo)線之間形成相互耦合是通道干擾的主要原因之一

在被控現(xiàn)場(chǎng)，往往有很多信號(hào)走電纜槽或者走電纜管同時(shí)接入控制系統(tǒng)，這些信號(hào)電纜在一起走線，之間均有分布電容存在，會(huì)通過這些分布電容將干擾加到別的信號(hào)電纜上。另外，在交變信號(hào)電纜的周圍會(huì)產(chǎn)生交變的磁通，而這些交變磁通會(huì)在并行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這也會(huì)造成線路上的干擾。

（3）計(jì)算機(jī)供電線路上引入的干擾

　　在大型電氣設(shè)備啟動(dòng)和開關(guān)裝置動(dòng)作頻繁的地方，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、開關(guān)的閉合產(chǎn)生的火花會(huì)在其周圍產(chǎn)生很大的交變磁場(chǎng)．這些交變磁場(chǎng)既可以通過在信號(hào)電纜上耦合產(chǎn)生干擾，也可能通過在電源電纜上耦合產(chǎn)生高頻干擾，這些干擾如果超過容許范圍，同樣會(huì)影響系統(tǒng)的工作。

　　（4）其它因素

　　雷擊可能在系統(tǒng)周圍產(chǎn)生很大的電磁干擾，也可能通過各種接地線引入干擾。靜電也往往成為毀壞系統(tǒng)設(shè)備的殺手。

　從以上所述，我們可以總結(jié)出各種干擾源（噪聲源）對(duì)測(cè)量裝置及檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾電流（電壓），需同時(shí)具備三個(gè)要素：⑴干擾源；⑵傳播途徑；⑶接收器。

3 通用的抗干擾技術(shù)

　 已知裝置控制系統(tǒng)需要“三要素”同時(shí)滿足才會(huì)受到干擾，因此只要消除三個(gè)要素中任意一個(gè)，干擾就不存在了，因此消除和減弱噪聲干擾的方法亦應(yīng)針對(duì)三項(xiàng)因素采取措施，即：⑴消除或抑制噪聲源；⑵阻截干擾傳遞途徑；⑶增強(qiáng)儀表電路自身的抗干擾能力。隨著裝置的自動(dòng)化水平日益提高，智能化儀表的普遍應(yīng)用，以上幾種措施在硬件方面通常采取隔離、屏蔽、抑制、接地、雙絞、濾波技術(shù)實(shí)施完成。在軟件方面，像數(shù)字濾波、數(shù)字處理等更多的抑制干擾的措施和方法得以應(yīng)用，儀表測(cè)控系統(tǒng)安全水平大大提高。

3.1 隔離的主要目的是通過隔離元件把干擾源的路徑切斷，從而達(dá)到抑制干擾的效果

3.1.1隔離包含兩種意義：一為可靠絕緣，即保證導(dǎo)線之間不會(huì)產(chǎn)生漏電流，所以要求導(dǎo)線絕緣材料的耐壓等級(jí)、絕緣電阻必須符合規(guī)定；另一為合理配線，即要求信號(hào)線盡量避開干擾源。譬如　　

3.1.2屏蔽是抑制干擾的重要方法。屏蔽和抑制是用金屬導(dǎo)體把被屏蔽的元件、組合件、電路及信號(hào)線包圍起來，主要用于抑制電容性藕合噪聲，效果很好，除了電氣屏蔽，還有強(qiáng)交變磁場(chǎng)的干擾，因此還應(yīng)考慮磁屏蔽，即用導(dǎo)磁性能好的導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽。要是屏蔽起作用，屏蔽層必須接地，有的采用單點(diǎn)接地，有的采用多點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地不便時(shí)，在兩端接地。主要的理論依據(jù)是：屏蔽層也是一個(gè)導(dǎo)線，當(dāng)其長度與電纜芯傳送信號(hào)的四分之一波長接近時(shí)，屏蔽層相當(dāng)于一根天線。在DCS系統(tǒng)中，低頻的信號(hào)線，只能將屏蔽層的一端接地，否則屏蔽層兩端的電位差會(huì)在屏蔽層中形成電流，產(chǎn)生干擾，對(duì)于信號(hào)頻率較高的（100KHZ）信號(hào)推薦兩端接地。

3.2接地按其作用可分為保護(hù)性接地和功能性接地。

3.2.1保護(hù)性接地

放電擊接地：為了防止電氣設(shè)備絕緣損壞或產(chǎn)生漏電時(shí)，使平時(shí)不帶電的外露導(dǎo)電部分帶電而導(dǎo)致電擊而將設(shè)備外露導(dǎo)電部分接地，稱為放電擊接地。這種接地，也是通常的狹義的“保護(hù)接地”，它又分為保護(hù)導(dǎo)體接地（PE，也稱為保護(hù)接地），和保護(hù)中性導(dǎo)體接地（PEN，也稱為保護(hù)接零）兩種。

3.2.2防雷接地：：將雷電導(dǎo)入大地，防止雷電流、雷磁場(chǎng)使設(shè)備受到損害。

3.2.3防靜電接地：將靜電導(dǎo)入大地，防止雷電流、雷磁場(chǎng)使設(shè)備受到損害。

3.2.4放電蝕接地：地下埋入金屬體作為犧牲陽極或陰極，防止電纜、金屬管等受到電蝕。

3.3功能性接地

3.3.1邏輯地：也稱為電源地，邏輯地一般可以在機(jī)柜內(nèi)以星型方式聯(lián)結(jié)到一點(diǎn)，該點(diǎn)一般也是與機(jī)柜絕緣的匯流條。通常，邏輯地可與屏蔽地共用匯流條。

3.3.2屏蔽接地：將電氣干擾源引入大地，抑制外來電磁干擾對(duì)電子設(shè)備的影響，同時(shí)也可減少自身對(duì)外的干擾。

3.3.3本安接地：保證系統(tǒng)向防爆區(qū)傳送的能量在規(guī)定范圍以內(nèi)，將安全柵等設(shè)備安全地連接到供電電源的零電位點(diǎn)。

良好的接地是使工業(yè)控制機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、消除干擾的重要措施。如果應(yīng)用得法，可以明顯提高系統(tǒng)的抗干擾能力

3.4雙絞：雙絞線代替兩根平行導(dǎo)線是抑制磁場(chǎng)干擾的有效方法。在雙絞線每個(gè)絞扭環(huán)中會(huì)通過交變的磁通，這這些變化的磁通會(huì)在周圍的導(dǎo)體中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，他有點(diǎn)刺痛感應(yīng)定律決定，而相鄰絞扭環(huán)中在同一導(dǎo)體上的電動(dòng)勢(shì)方向相反，相互抵消，因此對(duì)電磁干擾起到了較好的抑制效果。在單位長度內(nèi)的交數(shù)越多，抑制干擾的能力越強(qiáng)。

　3.4軟件抗干擾技術(shù)：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境硬件抗干擾措施無能為力，譬如工控機(jī)死機(jī)了或者控制出錯(cuò)了。這將給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重后果，因此使用軟件抗干擾措施避免和減輕這些意外事故猶為重要。通常使用的軟件抗干擾技術(shù)有：實(shí)時(shí)控制軟件運(yùn)行過程中的自監(jiān)視法、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的互監(jiān)視法和重要數(shù)據(jù)備份法。

4 防止干擾和設(shè)備損壞的一般方法

硬件抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首選的抗干擾措施，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。 若硬件措施得當(dāng)，可以將絕大多數(shù)干擾拒之門外，常用的硬件設(shè)計(jì)抗干擾措施如下

4.1系統(tǒng)電源

　　系統(tǒng)電源應(yīng)該有冗余，各路配電模件應(yīng)該有獨(dú)立的截峰二極管（過壓）、自動(dòng)斷路器（過流）等保護(hù)。DCS系統(tǒng)接地點(diǎn)和動(dòng)力強(qiáng)電系統(tǒng)接地如果共地，接地電阻必須≤1Ω，DCS如果單獨(dú)接地,接地電阻≤4Ω，DCS供電要盡量來自負(fù)荷變化小的電網(wǎng)上。要嚴(yán)格防止強(qiáng)電通過端子排線路串入24VDC供電回路，并定期檢查機(jī)柜電源系統(tǒng)是否正常、供電電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)、系統(tǒng)接地是否可靠、良好、線路絕緣是否合格，停、送電按要求程序執(zhí)行.此外，位保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷，可采用在線式不間斷供電電源（UPS）供電，提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強(qiáng)的干擾隔離性能，是DCS控制理想電源。通過以上工作，這方面的風(fēng)險(xiǎn)就可以有效避免。

4.2電纜敷設(shè)

4.2.1信號(hào)分類

在DCS工程項(xiàng)目中常見的信號(hào)可以作如下分類:

Ⅰ類信號(hào):熱阻信號(hào)、熱電偶信號(hào)、毫伏信號(hào)、應(yīng)變信號(hào)等低電平信號(hào)

Ⅱ類信號(hào)：0～5V、1～5V、4～20mA、0～10mA模擬量輸入信號(hào)；4～20mA、0～10mA模擬量輸出信號(hào)，電平型開關(guān)量輸入信號(hào)；觸點(diǎn)型開關(guān)量輸入信號(hào)；脈沖量輸入信號(hào)；24VDC小于50mA的阻性負(fù)載的開關(guān)量輸出信號(hào)。

Ⅲ類信號(hào)：20V～48VDC感性負(fù)載或者電流大于50mA的阻性負(fù)載的開關(guān)量輸出信號(hào)。

Ⅳ類信號(hào)：110VAC或110VAC開關(guān)量輸出信號(hào)，此類型號(hào)的饋線可以視作電源線處理布線問題。

其中，Ⅰ類信號(hào)很容易被干擾，Ⅱ類信號(hào)容易被干擾，而Ⅲ類和Ⅳ類信號(hào)在開關(guān)動(dòng)作瞬間會(huì)成為強(qiáng)烈的干擾源，通過空間環(huán)境干擾附近的信號(hào)線。

對(duì)于Ⅰ類信號(hào)必須采用屏蔽電纜，最好是屏蔽雙絞電纜；Ⅱ類信號(hào)盡可能采用屏蔽電纜，其中用于控制聯(lián)鎖的模入模出信號(hào)、開入信號(hào)，必須采用屏蔽電纜，最好是屏蔽雙絞電纜；Ⅲ類信號(hào)允許與220V電源線一起走線，也可與 Ⅰ、Ⅱ一起走線，但后者情況Ⅲ類信號(hào)必須采用屏蔽電纜，最好為屏蔽雙絞電纜，且與Ⅰ、Ⅱ類信號(hào)電纜相距150mm以上。條件允許的情況下，Ⅰ～Ⅳ類信號(hào)盡可能采用屏蔽電纜或屏蔽雙絞電纜，必須保證屏蔽層只有一點(diǎn)接地，且接地狀態(tài)良好。（1）使所有的信號(hào)線很好地絕緣，使其不可能漏電，這樣，

防止由于接觸引入的干擾；

4.2.2正確敷設(shè)電纜的前提是對(duì)信號(hào)電纜進(jìn)行正確分類，將不同種類的信號(hào)線隔離鋪設(shè)（不在同一電纜槽中，或用隔板隔開），使模擬信號(hào)部分，相互間的信號(hào)耦合為最小。

4.2.3 禁止大功率的開關(guān)量出線信號(hào)、電源線、動(dòng)力線等電纜與直接進(jìn)入DCS系統(tǒng)的Ⅰ、Ⅱ類信號(hào)電纜并行捆綁，這些線的電纜與信號(hào)電纜之間的距離應(yīng)該大于 600mm。建議單獨(dú)走線。絕對(duì)禁止多芯電纜中部分芯傳輸Ⅰ或Ⅱ類信號(hào)其它芯用于傳輸Ⅲ類或Ⅳ類信號(hào)。嚴(yán)禁同一信號(hào)的幾芯線分布在不同的幾條電纜中。當(dāng)動(dòng)力線和信號(hào)線平行敷設(shè)時(shí)，兩者必須保持一定的間距，不同信號(hào)輻值的信號(hào)線不宜穿在同一導(dǎo)線管內(nèi)。在采用金屬匯線槽敷設(shè)時(shí)，不同輻值導(dǎo)線、電纜與電力線需用金屬隔板隔開。

信號(hào)回路必須要有唯一的參考地，屏蔽電纜遇到有可能產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的場(chǎng)合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地環(huán)路”。