论工业控制自动化系统的干扰问题

摘 要：自动化系统是在机电功能、信息采集功能和控制功能上引进的人机控制技术，并将机电设备与采集处理设备用相关软件有机结合而构成的系统。自动化系统投入工业应用环境运行时，系统总会受到电网、空间与周围环境干扰。文章分析了工业微机控制系统的干扰来源并提出了相应的抑制措施。

关键词：自动化系统；工业控制；干扰

对于工业微机控制系统，干扰主要来源于两个方面：一是空间干扰，即电磁场的干扰；二是电网干扰，这是对微机系统的主要干扰。电网在周围大功率设备运行中，特别是启动过程中，将串入尖峰干扰或电压跌落，从而导致CPU工作不正常，存储器内容被破坏。

1 干扰的定义及分类

在工业控制现场中分布着各种各样的杂散电磁信号，它们的频率可以从直流至1000MHz甚至更高。噪声是绝对的，它的产生和存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关，干扰信号是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定的数值，并且和有用信号一起进入电子控制装置，并影响装置正常工作时，才称这类噪声为干扰，干扰在一定的条件下可以消除，而噪声一般只能减弱而不能消除，干扰的分类方法有很多种，按其产生和传播的方式可分为下述6种。

1.1 静电干扰

静电干扰实际上是电场通过电容器或分布电容耦合到受扰装置而形成的干扰，例如：流过较大电流的动力线周围存在着较强的电场，这个电场可以通过该动力线和周围的电路之间存在的分布电容向其周围的电路施加干扰，而且电场强度越大，受扰电路与该动力线距离越近，以及它们之间平行走线的距离越长，这种由动力线施加在受扰电路中的静电干扰越强。

1.2 磁场耦合干扰

它是一种感受式干扰，主要是由靠近电子装置的流过较强电流的线路周围的变化电磁场对电子装置回路耦合所形成的干扰，如：动力线、变压器、交流电动机、交流接触器、电磁铁等产生磁场的器件周围都存在着较强的交变电磁场，这种交变电磁场会使其附近的电子线路产生感生电动势和感生电流，从而形成干扰。

1.3 电磁辐射干扰

由空间电磁波被电子装置接收而形成的干扰称电磁辐射干扰，例如：高频感应加热炉和可控硅中频炉及各种有触点电器所产生的电火花、电弧都会产生辐射电磁波，当它们附近的电子装置所接收到的电磁波达到一定强度时，就可能形成电磁辐射干扰。

1.4 共阻抗干扰

由于电子控制装置中各个电子回路间的公共导线存在着电阻和电感，当一个回路的电流流过这段公共导线时，会在导线上产生电压降，这一阻抗压降耦合到其它电子回路中就形成了共阻抗干扰。

1.5 漏电耦合干扰

该干扰是指由于控制装置内部与内部或内部与外部本不应该有电气联系的部分之间的电气绝缘性能下降而造成各部分之间有漏电流而形成的干扰，例如：工作在空气湿度较大场合下的控制装置，由于装置内部器件工作时的发热可能会在器件上凝结露水，这样便造成器件内部与外部各线之间的绝缘电阻下降而产生漏电耦合干扰，漏电耦台干扰一般发生在工作环境恶劣的条件下。

1.6 电网干扰

一般电子控制装置的工作电源是通过从电网获得的交流电经变换处理得到的，接在电网上的一些用电设备在工作时可能对电网施加干扰，使电网电压含有干扰信号，例如：切断大感性负载所产生的浪涌过压会叠加到电网电压上；启动大的用电设备会造成短时间内电网电压下降；大功率可控硅的触发导通会使电网电压波形畸变；电力传输线会接收各种高频辐射干扰信号，从而使电网上含有各种高频干扰信号，电网上所含的低频干扰信号可以通过电子控制装置的电源变压器耦合到次级；高频干扰信号可以通过电源变压器初、次级间的寄生电容耦合到次级，这样就可能使电子装置的工作电源含有各种频率的干扰信号而影响装置工作。

2 场干扰及解决办法

场干扰：系统周围的空间总存在着磁场、电磁场、静电场，如太阳及天体辐射；广播、电话、通讯发射台的电磁波；周围设备发出的电磁辐射等。这些场干扰会通过电源或传输线影响各功能模块的正常工作，使其中的电平发生变化或产生脉冲干扰信号。解决场干扰：

（1）解决场干扰的主要方法是良好的屏蔽和正确的接地。

（2）消除静电干扰最简单的方法是把感应体接地，接地时要防止形成接地环路。

（3）防止电磁场干扰，可采用带屏蔽层的信号线，并将屏蔽层单端接地。

（4）不要把导线的屏蔽层当作信号线或公用线来使用。

（5）在布线方面，不要在电源电路和检测、控制电路之间使用公用线，也不要在模拟电路和数字脉冲电路之间使用公用线，以免互相串扰。

3 增加软件抗干扰技术

各种形式的干扰最终会反映在系统的微机模块中，导致数据采集误差、控制状态失灵、存储数据窜改以及程序运行失常等后果，虽然在系统硬件上采取了上述多种抗干扰措施，但仍然不能保证微机系统正常工作。因为软件抗干扰是属于微机系统的自身防御行为，实施软件抗干扰的必要条件是：

（1）使微机硬件系统良好接地，远离干扰场，对强场干扰做好屏蔽。

（2）保护系统的程序及固化常数不会因干扰的侵入而变化。

（3）RAM区中的重要数据在干扰侵入后可重新建立，并且系统重新运行时不会出现不允许的数据。

（4）PLC间的数据交换及传输采用CRC校验。

（5）设置WATCHDOG功能，由硬件配合，监视软件的运行情况，遇到故障进行相应的处理。

（6）设置软件陷阱，当程序指针失控而使程序进入非程序空间时，在该空间中设置拦截指令，使程序进入陷阱，然后强迫其转入初始状态。

（7）采用自动化系统冗余设计方案。

4 结束语

总之，工业微机控制系统近年来得到了越来越广泛的应用。微机控制系统是一个系统工程的概念，它不同于一般的个人计算机，不能只从计算机的概念来认识它。工业微机控制系统除要求有完善的控制功能外，还要求具有很高的抗干扰性能和稳定性。否则，再完善的功能设计，因抗干扰性能不好，则在干扰出现时就会导致整个控制系统失灵，给工业生产带来严重的后果。

参考文献

[1]王志卫.工业控制计算机系统的电磁兼容设计[J].微计算机应用，1999（6）.

[2]殷健.工业控制系统中模拟信号的传输[J].工矿自动化，2005（2）.

[3]开关电源运行中的电网干扰及其抑制[J].电源世界，2006（2）.

[4]丁希仑，陈伟海，张启先.空间机器人柔性臂动力学模糊控制的研究[J].北京航空航天大学学报，1999（1）.

[5]变频器电网干扰和抗干扰对策[J].变频器世界，2006（1）.