1 引言
在鋼鐵企業(yè)中無(wú)論是煉鐵、煉鋼、軋鋼還是其他輔助生產(chǎn)線，都大量使用變頻器。而變頻器運(yùn)行時(shí)既要防止外界干擾它，又要防止它干擾外界，變頻器干擾再加上別的電磁干擾，給工控系統(tǒng)正常運(yùn)行帶來(lái)了麻煩。由于工控系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，該系統(tǒng)的抗干擾能力的強(qiáng)弱直接關(guān)系到整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)能否順利運(yùn)行。工業(yè)企業(yè)中所使用的工控系統(tǒng)類型多種多樣，安裝的位置也各異，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和各機(jī)電設(shè)備上，但它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，受到不同程度的電磁干擾。要減小干擾，提高工控系統(tǒng)可靠性，一方面工控系統(tǒng)自身應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力;另一方面，在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中，必須高度重視抗干擾問(wèn)題，只要各方密切配合，才能有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。因此分析干擾源，研究抗干擾的措施是有必要的。

2 電磁干擾源及對(duì)工控系統(tǒng)的干擾
2.1 干擾源及干擾一般分類
工控系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流、電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)劇烈變化的部位。在這些部位電荷劇烈移動(dòng)，就形成了噪聲源，即干擾源。
干擾類型多樣，通常可按產(chǎn)生噪聲的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形和性質(zhì)的不同進(jìn)行劃分，其中按噪聲干擾模式進(jìn)行分類是一種比較常用的分類方法。該方法將干擾分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號(hào)對(duì)地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)(同方向)電壓迭加所形成。共模電壓有時(shí)較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電時(shí)，變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130v以上。共模電壓通過(guò)不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件損壞(它是造成一些系統(tǒng)i/o模件高損壞率的主要原因)，這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，該電壓疊加在信號(hào)上，直接影響測(cè)量與控制精度。
2.2 工控系統(tǒng)中電磁干擾的主要來(lái)源
(1) 來(lái)自空間的輻射干擾
空間的輻射電磁場(chǎng)(emi)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。若工控系統(tǒng)置于所在射頻場(chǎng)內(nèi)，就會(huì)受到輻射干擾。其干擾的路徑有二:一是直接對(duì)工控系統(tǒng)內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾;二是對(duì)工控系統(tǒng)通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小，特別是與頻率有關(guān)，一般可通過(guò)屏蔽電纜和工控系統(tǒng)局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù)。
(2) 來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)引線的干擾
主要通過(guò)電源和信號(hào)線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾，是出現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的一種較為嚴(yán)重的干擾。
l 來(lái)自電源的干擾
因電源引入的干擾造成工控系統(tǒng)故障的情況很多，在工程調(diào)試中經(jīng)常遇到。使用如圖1所示的經(jīng)過(guò)1∶1隔離變壓器屏蔽及接地的工控系統(tǒng)電源，就可有效解決該問(wèn)題。

圖1 1∶1隔離變壓器屏蔽及接地方式圖
工控系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，如開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過(guò)輸電線路傳到電源原邊。工控系統(tǒng)電源通常采用隔離電源，但受其構(gòu)成及制造工藝等因素的限制，其隔離效果實(shí)際上并不十分理想，因?yàn)榉植紖?shù)特別是分布電容總是存在的，絕對(duì)隔離也就不可能。
l 來(lái)自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾
接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(emc)的有效手段之一。正確的接地，既能抑制來(lái)自外界的電磁干擾，又能抑制該設(shè)備發(fā)出干擾信號(hào);而錯(cuò)誤的接地，會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使得工控系統(tǒng)無(wú)法正常工作。
工控系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂，各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，會(huì)引起工控系統(tǒng)地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽層兩端都接地，就存在地電位差，有電流流過(guò)屏蔽層，當(dāng)遇異常情況如雷擊時(shí)，地線電流將更大。
此外，屏蔽層、接地線和大地也有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)又會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過(guò)屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號(hào)回路，影響工控系統(tǒng)內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。工控系統(tǒng)工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響工控系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī)。模擬地電位的分布干擾將降低測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起信號(hào)嚴(yán)重失真和系統(tǒng)控制的誤動(dòng)作。
(3) 來(lái)自工控系統(tǒng)內(nèi)部的干擾
與工控設(shè)備連接的各類信號(hào)傳輸線，在傳輸各類有效信息時(shí)，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。主要是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾，是一種較為嚴(yán)重的干擾。由于此類干擾的存在，i/o信號(hào)工作可能出現(xiàn)異常，相關(guān)的測(cè)量精度也會(huì)相應(yīng)受到影響，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。如果系統(tǒng)隔離性能差，信號(hào)間還會(huì)互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)和死機(jī)。此類干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部各控制單元及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生。邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等，都可能導(dǎo)致此類干擾的產(chǎn)生。它主要與工控系統(tǒng)制造廠對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)有關(guān)。

3 工控系統(tǒng)工程應(yīng)用的抗干擾設(shè)計(jì)
為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾，在設(shè)計(jì)階段可以從以下三個(gè)方面采取抑制措施:抑制干擾源;切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑;提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。
工控系統(tǒng)的抗干擾是一個(gè)系統(tǒng)工程，既要求制造單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)出具有較強(qiáng)抗干擾能力的產(chǎn)品，又要求其使用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮，并結(jié)合具有情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。使用部門在進(jìn)行具體工程的抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)主要考慮以下兩個(gè)方面。
3.1 設(shè)備選型
在選擇設(shè)備時(shí)，首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其中包括電磁兼容性(emc)，尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的工控系統(tǒng)等;其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo)，如共模擬制比、差模擬制比，耐壓能力、允許在多大電場(chǎng)強(qiáng)度和多高頻率的磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中工作;另外還應(yīng)考查其在類似工作中的應(yīng)用實(shí)績(jī)。 在選擇國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品時(shí)要注意:我國(guó)是采用220v高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是110v低內(nèi)阻電網(wǎng)。我國(guó)電網(wǎng)內(nèi)阻大，零點(diǎn)電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上，對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能要求更高，因此在國(guó)外能正常工作的工控系統(tǒng)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)就不一定能可靠運(yùn)行，這就要求在采用國(guó)外產(chǎn)品時(shí)，按我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)合理選擇。
3.2 抗干擾綜合設(shè)計(jì)
可采用來(lái)自系統(tǒng)外部的幾種干擾的抑制措施。主要為:對(duì)工控系統(tǒng)信號(hào)引線進(jìn)行屏蔽以防空間輻射電磁干擾;對(duì)外引線進(jìn)行隔離、濾波，特別是動(dòng)力電纜，要分層布置，以防通過(guò)外引線引入傳導(dǎo)電磁干擾;正確設(shè)計(jì)接地點(diǎn)和接地裝置，完善接地系統(tǒng)。另外還必須利用軟件手段，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。

4 主要抗干擾措施
4.1 采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾
在工控系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入工控系統(tǒng)，主要是通過(guò)工控系統(tǒng)中的各控制單元的供電電源串入，含變送器供電電源和以及具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的。現(xiàn)在，對(duì)于工控系統(tǒng)供電的電源，不可能都采用隔離性能較好的電源，例如變送器供電的電源及直接電氣連接的儀表的供電電源的抗干擾性，并沒(méi)受到足夠的重視，雖然采取了一定的隔離措施，但如果仍使用分布參數(shù)大，抑制干擾能力差的隔離變壓器，會(huì)串入共模干擾、差模干擾。所以，對(duì)于變送器和共用信號(hào)儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù))的配電器，以減少工控系統(tǒng)的干擾。
此外，為保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷，可采用在線式不間斷供電電源(ups)供電，以提高主要控制設(shè)備供電的安全可靠性。并且ups還具有較強(qiáng)的干擾隔離性能，是工控系統(tǒng)的理想電源，工業(yè)控制系統(tǒng)使用ups的正確方法如圖2所示。

圖2 ups的正確連接方法
4.2 電纜選擇及敷設(shè)
為了減少動(dòng)力電纜輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜，在工程中可采用銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，實(shí)踐證明抗干擾效果較為滿意。
為了減少電磁干擾，不同類型的信號(hào)應(yīng)分別由不同電纜傳輸，信號(hào)電纜應(yīng)按傳輸信號(hào)種類分層鋪設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào)，信號(hào)線不宜與動(dòng)力電纜靠近平行鋪設(shè)。
4.3 硬件濾波及軟件抗干擾措施
信號(hào)在接入工控系統(tǒng)前，在信號(hào)線與地間并接電容，以減少共模干擾;在信號(hào)兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。
此外由于電磁干擾的復(fù)雜性，要根本消除電磁干擾影響是不可能的，因此在工控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí)，還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。常用的一些措施為:使用數(shù)字濾波和工頻整形采樣來(lái)有效消除周期性干擾;定時(shí)校正參考點(diǎn)電位，并采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)，來(lái)有效防止電位漂移;采用信息冗余技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件標(biāo)志位;采用間接跳轉(zhuǎn)，設(shè)置軟件陷阱等提高軟件結(jié)構(gòu)的可靠性。
4.4 正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)

圖3 屏蔽電纜在被控設(shè)備處接地、控制器處懸空

圖4 屏蔽電纜在控制器處接地被控設(shè)備處懸空

圖5 浮接地系統(tǒng)

圖6 一點(diǎn)接地系統(tǒng)

圖7 多點(diǎn)接地系統(tǒng)

圖8 絕緣變壓器方式

圖9 公共接地方式

圖10 兩點(diǎn)接地方式

圖11 控制單元的一點(diǎn)接地

圖12　信號(hào)采集系統(tǒng)接地示意圖
接地的目的通常有兩個(gè)，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是工控系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。
系統(tǒng)接地方式有:浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對(duì)工控系統(tǒng)而言，不同的控制單元應(yīng)采用不同的接地方式，如圖3～圖12列出了不同工控系統(tǒng)的接地方式。例如plc，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號(hào)交換頻率一般都低于1mhz，所以工控系統(tǒng)接地線采用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地方式，如圖11。集中布置的工控系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線引向接地極，如圖12。
信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地;不接地時(shí)，應(yīng)在控制單元側(cè)接地;信號(hào)線中間有接頭時(shí)，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地;多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞電纜連接時(shí)，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并做絕緣處理，選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c(diǎn)接地。

5 結(jié)束語(yǔ)
工控系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對(duì)有些干擾情況還需做具體分析，才能夠有針對(duì)性減少干擾，使工控系統(tǒng)正常工作。