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DCS控制系统抗干扰能力分析
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，而系统的抗干扰能力则是关系整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型DCS，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。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，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。而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：控制系统 可靠性 抗干扰能力 接地
1 干扰源及干扰的一般分类
影响DCS控制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，这将直接影响测量与控制精度。
2 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、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：
2.1 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的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若DCS系统置于所射频场内，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置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和DCS局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。
2.2 来自系统外引线的干扰：主要通过电源和信号线引入。
2.2.1 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。
2.2.2 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。
2.2.3 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。
2.2.4 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置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。
3 DCS控制系统的抗干扰设计
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；提高装置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。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。
3.2 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。
3.3 接地按其作用可分为保护性接地和功能性接地。
3.3.1保护性接地
3.3.1.1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。
3.3.1.2 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。
3.3.1.3 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。
3.3.1.4 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。
3.3.2功能性接地
3.3.2.1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。
3.3.2.2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
3.4双绞：双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效方法。在双绞线每个绞扭环中会通过交变的磁通，这这些变化的磁通会在周围的导体中产生电动势，他由电磁感应定律决定，而相邻绞扭环中在同一导体上的电动势方向相反，相互抵消，因此对电磁干扰起到了较好的抑制效果。在单位长度内的交数越多，抑制干扰的能力越强。
4 主要抗干扰措施
4.1 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。电网干扰串入DCS控制系统主要通过DCS系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与DCS系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。系统电源应该有冗余，各路配电模件应该有独立的过压、过流等保护。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，并定期检查机柜电源系统是否正常、供电电压是否在规定范围内系统接地是否可靠、良好、线路绝缘是否合格，停、送电按要求程序执行.此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是DCS控制理想电源。通过以上工作，这方面的风险就可以有效避免。
4.2 电缆敷设
4.2.1 信号分类
在DCS工程项目中常见的信号可以作如下分类:
Ⅰ类信号：热电阻、热电偶信号、毫伏信号、应变信号等低电平信号
Ⅱ类信号：0～5V、1～5V、4～20mA、0～10mA模拟量输入信号；4～20mA、0～10mA模拟量输出信号，电平型开关量输入信号；触点型开关量输入信号；脉冲量输入信号。
Ⅲ类信号：20V～48VDC感性负载或者电流大于50mA的阻性负载的开关量输出信号。
Ⅳ类信号：110VAC或110VAC开关量输出信号，此类型号的馈线可以视作电源线处理布线问题。
其中，Ⅰ类信号很容易被干扰，Ⅱ类信号容易被干扰，而Ⅲ类和Ⅳ类信号在开关动作瞬间会成为强烈的干扰源，通过空间环境干扰附近的信号线。
对于Ⅰ类信号必须采用屏蔽电缆，最好是屏蔽双绞电缆；Ⅱ类信号尽可能采用屏蔽电缆，其中用于控制联锁的模入模出信号、开入信号，必须采用屏蔽电缆，最好是屏蔽双绞电缆；Ⅲ类信号允许与220V电源线一起走线，也可与 Ⅰ、Ⅱ一起走线，但后者情况Ⅲ类信号必须采用屏蔽电缆，最好为屏蔽双绞电缆，且与Ⅰ、Ⅱ类信号电缆相距150mm以上。条件允许的情况下，Ⅰ～Ⅳ类信号尽可能采用屏蔽电缆或屏蔽双绞电缆，必须保证屏蔽层只有一点接地，且接地状态良好。
4.2.2 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Ⅰ、Ⅱ类信号电缆并行捆绑，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。绝对禁止多芯电缆中部分芯传输Ⅰ或Ⅱ类信号其它芯用于传输Ⅲ类或Ⅳ类信号。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”。
4.2.3仪表信号电缆与电力电缆交叉敷设时，宜成直角，与电力电缆平行敷设时，两者之间的最小距离应符合下表的规定：
电力电缆的电压与工作电流
信号电缆和电力电缆平行敷设的长度m
＞100
＞250
＞500
＜500
125V，10A
50(mm)
100
200
1200
250V，50A
150
200

450
1200
200-400V，100A
200
450
600
1200
400-500V，200A
300
600
900
1200
3000-10000V,50A
600
900
1200
1200
4.3 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。
由于电磁干扰的复杂性，要根本消除硬件干扰影响是不可能的，因此在DCS控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。
4.4 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。
4.5 其他

在正常维护和检修过程中应严格遵守自动化仪表的检维修规定，遵照相关的操作规程、规范进行作业，养成良好的作业习惯，以避免人为造成不良后果。　
4.5.1进入电子间，应穿防静电工作服，触摸卡件、模块时，必须戴防静电手镯，从机架上拆下的卡件要放在接地良好的防静电毡上，不要随意摆放。
4.5.2 检修中，拆下来的无论电源线或是仪表信号线应做好绝缘及标识。
4.5.3 在电子间内严禁使用手机、对讲机等对控制系统有干扰的电子设备。
4.5.4 保证控制室的清洁卫生，若外围环境较恶劣（如粉尘等），可考虑向控制室内通洁净、干燥的仪表风，以保证控制室内微正压。
5 结束语
工业控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中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。