儀表測控系統的抗干擾技術(shù)

引言
　　儀表及控制

　　系統的可靠性直接影響到現代化工業(yè)生產(chǎn)裝置安全、穩定運行，系統的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統可靠運行的關(guān)鍵。隨著(zhù)DCS、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用，被控對象和被測信號往往分布在各個(gè)不同的地方，并且他們與控制站之間也有相當長(cháng)的距離，因此，信號線(xiàn)和控制線(xiàn)均可能是長(cháng)線(xiàn)。其次，現場(chǎng)往往有許多強電設備，他們的啟動(dòng)和工作將對測控系統產(chǎn)生強烈的影響。同時(shí)來(lái)自空間的輻射干擾、系統外引線(xiàn)干擾等問(wèn)題尤為突出。因此，除有用信號外，由于各種原因必然會(huì )有一些與被測信號無(wú)關(guān)的電流或電壓存在，這種無(wú)關(guān)的電流或電壓通稱(chēng)為“干擾”（噪聲）。溶氧計| 電導度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀| 濁度計在測量過(guò)程中，這些干擾若不能很好地處理，那它將歪曲測量結果，嚴重時(shí)甚至使儀表或計算機完全不能工作。大量實(shí)踐說(shuō)明，抗干擾性能是各種電子測量裝置的一個(gè)很重要的問(wèn)題，尤其是DCS、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的廣泛應用和迅速發(fā)展，有效地排除和抑制各種干擾，已成為必需探討和解決的迫切問(wèn)題，因為干擾不僅能造成邏輯混亂，使系統測量和控制失靈，以致降低產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至使生產(chǎn)設備損壞，造成事故。因此，抗干擾技術(shù)在儀表測控系統的設計、制造、安裝和日常維修中都必需給予足夠的重視。

　　常見(jiàn)干擾源及對系統的干擾

　　由于測控信號往往是一種微弱的直流或變化緩慢的交變信號，最后還要通過(guò)長(cháng)距離（有時(shí)長(cháng)達幾百米甚至更遠）傳輸，因此像大功率馬達和其它電氣設備產(chǎn)生的磁場(chǎng)，高壓電氣設備產(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控系統中。通常來(lái)說(shuō)干擾儀表測控系統的干擾源主要有電力網(wǎng)絡(luò )和電氣設備的暫態(tài)過(guò)程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統電源線(xiàn)、信號引線(xiàn)、接地等引起的系統外引線(xiàn)干擾。這些干擾總體上分為兩大類(lèi)：外部干擾和內部干擾，詳細分析無(wú)外乎由于輻射、溫度、濕度、振動(dòng)、傳輸、感應、電源、接地幾個(gè)方面。下面對常見(jiàn)的幾種干擾機制進(jìn)行分析：

　　來(lái)自空間的輻射干擾對測控系統影響主要通過(guò)兩條路徑：一是直接對計算機內部輻射，由電路感應產(chǎn)生干擾；二是對計算機外圍設備及通訊網(wǎng)絡(luò )的輻射，由外圍設備和通信線(xiàn)路的感應引入干擾�！　�

　　來(lái)自傳輸的干擾主要有兩種途徑：一是通過(guò)傳感器供電電源或公用信號儀表的供電電源即配電器串入的電網(wǎng)干擾；二是信號線(xiàn)受空間電磁輻射感應的干擾，嚴重時(shí)會(huì )引起元件損壞，邏輯出錯和大的系統故障。

　　來(lái)自接地系統的干擾主要是接地系統混亂：測控系統的屏蔽接地線(xiàn)及機殼接地線(xiàn)、信號接地線(xiàn)、功率地線(xiàn)、交流電源地線(xiàn)等引起的噪聲耦合干擾。

　　從以上所述，我們可以總結出各種干擾源（噪聲源）對測量裝置及檢測系統產(chǎn)生干擾電流（電壓），需同時(shí)具備三個(gè)要素：⑴噪聲源；⑵對噪聲敏感的接受電路；⑶噪聲源到接受電路之間的傳輸途徑。

　　通用的抗干擾技術(shù)　　

　　既然形成對測量裝置及檢測系統的噪聲干擾需要“三要素”，因此消除和減弱噪聲干擾的方法亦應針對三項因素采取措施，即：⑴消除或抑制噪聲源；⑵阻截干擾傳遞途徑；⑶削弱接受電路對噪聲干擾的敏感性。以上三方面措施均屬于硬件措施。隨著(zhù)微型計算機應用于工業(yè)生產(chǎn)，智能傳感器和智能儀表的普遍應用，在軟件方面，像數字濾波、數字處理等更多的抑制干擾的措施和方法得以應用，儀表測控系統安全水平大大提高。以上幾種措施通常采取隔離、屏蔽、抑制、接地保護、軟件技術(shù)完成，下面對這幾種技術(shù)——介紹。

　　隔離包含兩種意義：一為可靠絕緣，即保證導線(xiàn)之間不會(huì )產(chǎn)生漏電流，所以要求導線(xiàn)絕緣材料的耐壓等級、絕緣電阻必須符合規定；另一為合理配線(xiàn)，即要求信號線(xiàn)盡量避開(kāi)干擾源，譬如當動(dòng)力線(xiàn)和信號線(xiàn)平行敷設時(shí)，兩者必須保持一定的間距，兩者交叉時(shí)要盡可能垂直，導線(xiàn)穿管敷設時(shí)，電源線(xiàn)和信號線(xiàn)應在不同導線(xiàn)管內。不同信號輻值的信號線(xiàn)不宜穿在同一導線(xiàn)管內。在采用金屬匯線(xiàn)槽敷設時(shí)，不同輻值導線(xiàn)、電纜與電力線(xiàn)需用金屬隔板隔開(kāi)。同一多芯電纜內不宜有不同輻值的信號線(xiàn)等等。

　　屏蔽和抑制是用金屬導體把被屏蔽的元件、組合件、電路及信號線(xiàn)包圍起來(lái)，主要用于抑制電流性噪聲藕合，起到一定的磁屏蔽作用。另外用雙絞線(xiàn)代替兩根平行線(xiàn)是抑制磁場(chǎng)干擾的一種行之有效的方法。

　　接地保護是指通過(guò)接地保護設備和人身安全和抑制干擾。通常分為屏蔽接地、本安接地、保護接地、信號回路接地，下面分別介紹：⑴保護接地是將電氣設備、用電儀表正常情況下不帶電的金屬部分與接地體之間做良好的金屬連接，若儀表盤(pán)意外帶電時(shí)，接地短路電流大多通過(guò)接地電阻；⑵工作接地是保證儀表精確、可靠地正常工作，它包括信號回路接地、屏蔽接地和本安儀表接地。

　　軟件抗干擾技術(shù)：工業(yè)現場(chǎng)的復雜環(huán)境硬件抗干擾措施無(wú)能為力，譬如工控機死機了或者控制出錯了。這將給生產(chǎn)帶來(lái)可怕后果，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)控制軟件運行過(guò)程中的自監視法、實(shí)時(shí)控制系統的互監視法和重要數據備份法。

　　工作實(shí)際中抗干擾技術(shù)應用

　　1、實(shí)施技術(shù)改造，解除系統干擾，恢復關(guān)鍵機組聯(lián)鎖

　　設計33噸/小時(shí)造粒機是國內第一套大型擠壓機組，設計了294個(gè)溫度、壓力、流量、振動(dòng)等聯(lián)鎖、報警控制點(diǎn)，一旦異常發(fā)生，聯(lián)鎖控制程序保證機組安全停車(chē)。但是，因設計人員經(jīng)驗不足，考慮欠佳，機組開(kāi)車(chē)后，多次發(fā)生溫度聯(lián)鎖控制誤動(dòng)作造成擠壓機停車(chē)，給裝置生產(chǎn)帶來(lái)很大壓力。經(jīng)技術(shù)人員處理，部分誤動(dòng)作點(diǎn)被解除，但溫度聯(lián)鎖點(diǎn)因誤動(dòng)作頻繁，只好暫時(shí)取消聯(lián)鎖，保留報警。盡管機組可以開(kāi)車(chē)，但31個(gè)聯(lián)鎖點(diǎn)的暫時(shí)摘除給生產(chǎn)帶來(lái)很大壓力和安全隱患，并且溫度誤報警頻繁發(fā)生，造成操作人員很大思想壓力。因此，盡快找出解決方法，恢復聯(lián)鎖擺到了事業(yè)部領(lǐng)導和技術(shù)人員面前。通過(guò)組織技術(shù)人員分析控制系統設計、施工和運行狀況。發(fā)現設計考慮不周，控制盤(pán)溫度偏高、控制電纜屏蔽不好、二次儀表為塑料外殼且220VAC供電，使本來(lái)信號較弱的一次檢測元件熱電偶測量回路MV信號干擾嚴重，引發(fā)二次儀表頻繁誤動(dòng)作。問(wèn)題分析清楚后，我們可以通過(guò)對系統改進(jìn)來(lái)解決

　�、�、將檢測元件由熱電偶改為熱電阻，增強信號抗干擾能力。
　�、�、將控制電纜改為屏蔽電纜，較少信號干擾。
　�、�、二次控制指示儀由220V AC供電改為24V DC供電，降低控制盤(pán)溫度和信號干擾。
　�、�、控制盤(pán)增加排風(fēng)扇，降低溫度。
　�、�、嚴細組織施工，保證質(zhì)量。

　　通過(guò)以上工作，該機組聯(lián)鎖控制在停運一年后全部得以投用，為公司級大型機組的安穩運行起到關(guān)鍵作用。

　　2、采用隔離和屏蔽抗干擾技術(shù)，保DCS系統安穩運行，消除生產(chǎn)隱患
年產(chǎn)20萬(wàn)噸聚丙烯裝置是國內第一套引進(jìn)世界先進(jìn)的氣相本體法生產(chǎn)工藝，儀表測控系統中先進(jìn) 控制回路占了很大比例。但由于設計和施工等因素影響，裝置剛開(kāi)車(chē)時(shí)，卻頻繁發(fā)生儀表誤動(dòng)作停車(chē)，給生產(chǎn)帶來(lái)及不利的影響，DCS卡件也不時(shí)損壞，經(jīng)分析，該系統電氣到儀表控制電纜的屏蔽和隔離措施較差，造成DCS的DI卡件不時(shí)感應到170~200V電壓，引發(fā)DCS 邏輯誤動(dòng)作，甚至造成裝置停車(chē)。對此，對嚴重影響生產(chǎn)的30余套信號線(xiàn)增加隔離繼電器盤(pán)，更換屏蔽控制電纜，取得了明顯效果。

　　3、減少遠程通訊傳輸控制，消除信號干擾。
　　某裝置關(guān)鍵壓縮機控制系統設計現場(chǎng)控制盤(pán)和中央控制室控制盤(pán)，中央控制室控制盤(pán)主要用于壓縮機控制安全聯(lián)鎖邏輯，現場(chǎng)控制盤(pán)除用于現場(chǎng)啟動(dòng)操作還設計了部分手動(dòng)控制功能，其中有壓縮機防喘振控制閥可以在現場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制模式切換，這部分控制通過(guò)遠程通訊傳輸實(shí)現主控室和現場(chǎng)的銜接，在調試階段一切正常。但裝置開(kāi)車(chē)后，由于信號干擾嚴重，壓縮機防喘振控制閥不時(shí)自己切為手動(dòng)模式，現場(chǎng)無(wú)人操作，多次造成聯(lián)鎖停車(chē)。后對通信信號線(xiàn)進(jìn)行了更新，情況略有好轉，但偶而也出現信號干擾，造成聯(lián)鎖停車(chē)。經(jīng)技術(shù)人員多次分析，認為主裝置由于各種原因，電纜橋架控制電纜敷設不夠規范，存在較大干擾，造成裝置通訊信號不能很好工作。針對實(shí)際情況，該壓縮機控制信號出現干擾主要影響防喘振控制閥切換模式，在正常開(kāi)車(chē)時(shí)，我們選用自動(dòng)控制防喘振控制閥開(kāi)度，異常時(shí)在現場(chǎng)操作手動(dòng)控制防喘振控制閥開(kāi)度。經(jīng)認真論證，將現場(chǎng)盤(pán)通訊控制部分移到主控盤(pán)更安全可靠，實(shí)施后效果很好，再也沒(méi)發(fā)生信號干擾造成壓縮機停車(chē)事故。在新建裝置的壓縮機控制設計時(shí)，我們建議外方采用這一方案，取得了良好的成效，在大家的共同努力下，實(shí)現了裝置一次開(kāi)車(chē)成功的良好業(yè)績(jì)。（作者：楊芳育，北京燕山石油化工有限公司聚丙烯事業(yè)部電儀車(chē)間）

　　克服工業(yè)自動(dòng)化控制系統中前向過(guò)程通道的干擾措施之一
　　在工業(yè)現場(chǎng)，在距離較遠的電氣設備、儀表、PLC控制系統、DCS系統之間進(jìn)行信號傳輸時(shí)，往往存在干擾，造成系統不穩定甚至誤操作。除系統內、外部干擾影響外，還有一個(gè)十分重要的原因就是各種儀器設備的接地處理問(wèn)題。一般情況下，設備外殼需要接大地，電路系統也要有公共參考地。但是，由于各儀表設備的參考點(diǎn)之間存在電勢差，因而形成接地環(huán)路，由于地線(xiàn)環(huán)流會(huì )帶來(lái)共模及差模噪聲及干擾，常常造成系統不能正常工作。一個(gè)理想的解決方案是，對設備進(jìn)行電氣隔離，這樣，原本相互聯(lián)接的地線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )變?yōu)橄嗷オ毩⒌膯卧�，相互之間的干擾也將大大減小。

所以在工業(yè)自動(dòng)化控制系統，及儀器儀表、傳感器應用中，廣泛采用4~20mA電流來(lái)傳輸控制、檢測信號。由于4~20mA電流環(huán)路抗干擾能力強，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，可用來(lái)傳輸幾十甚至幾百米長(cháng)的模擬信號。一般情況下，傳輸距離超過(guò)10米，就需要對電流信號進(jìn)行隔離。

MHM-05就是一種模擬信號隔離器，又有稱(chēng)作安全隔離柵、也有稱(chēng)作信號變送器、屬于信號調理的范疇。其主要起抗干擾作用。正因為它有特強的抗干擾能力所以在自動(dòng)化控制系統中應用非常廣泛。尤其是在工業(yè)自動(dòng)程度越來(lái)越高。一次傳感器應用數量隨此增多，對傳感器的精度和靈敏度要求越來(lái)越高�？刂瞥绦蛞苍絹�(lái)越復雜，對于工業(yè)現場(chǎng)的干擾是錯綜復雜的，由來(lái)自控制現場(chǎng)如電動(dòng)機的啟動(dòng)停止、大電流接觸器的切換、可控硅的調相、電弧電脈沖、電磁波等等復雜的干擾群，在系統設計時(shí)務(wù)必要充分的考慮采用隔離措施來(lái)確保系統的可靠性，切斷各種可能引發(fā)干擾的通道。整個(gè)系統設計的可靠性是系統成敗的一個(gè)非常重要的環(huán)節。所以對工業(yè)標準遠傳模擬量信號DC 4-20mA通過(guò)信號隔離器使輸出模擬信號與系統完全隔離，不存在任何公共點(diǎn)，也就是通常被稱(chēng)之為絕緣隔離狀態(tài)。從引進(jìn)的許多自動(dòng)化工程項目統計，在現場(chǎng)模擬信號采集中應用1：1的電流信號隔離器的比例極高，真可謂不用不知道，在許多國內自建項目中，在大系統集成過(guò)程中受阻，然后再解入隔離措施得以解決的案例還少嗎？所以為什么在系統設計之初，要反復強調運用抗干擾措施，這是許多現實(shí)案例的經(jīng)驗教訓對我們設計者的謹示。這種技術(shù)措施的確是當今自動(dòng)化控制系統中，克服前向過(guò)程通道最有效的抗干擾措施之一。

　　信號隔離器其主要與DCS、PLC等工業(yè)智能測控系統配合使用。用來(lái)完善和補充系統模擬I/O插件功能，增強現場(chǎng)與遠傳信號的可靠性。但是目前市場(chǎng)上許多信號隔離器還需要另外加接輔助電源，還是以技術(shù)含量比較低的產(chǎn)品充徹市場(chǎng)，使用時(shí)會(huì )也帶來(lái)不便。從系統可靠性角度來(lái)分析，其多一個(gè)部件的加入不但多增加了一個(gè)故障點(diǎn)的可發(fā)性，也可能引入了新的干擾通道。而今隨著(zhù)新技術(shù)新工藝的發(fā)展，許多器件的性能不斷地完善，而且器件功耗已經(jīng)下降到可以被忽略境地，因此上海毅倫機電有限公司新設計的MHM-05A型信號隔離器就是應用了現代新技術(shù)而設計的一種不需要外接任何輔助電源的隔離器。它只有二個(gè)輸入端，二個(gè)輸出端，給系統設計和應用帶來(lái)了方便。同時(shí)也提高了系統可靠性。MHM-05A在結構上采用了片狀模塊卡口式結構，可直接卡入標準DIN道軌，所以安裝拆卸和維護非常方便�？梢远嗥�緊湊疊合安裝在標準道軌上節省或替代控制柜輸入、輸出的接線(xiàn)端子。MHM-05C型是電子模塊結構，可以直接安裝在PCB印刷線(xiàn)路板上應用。