現(xiàn)場典型抗干擾問題的分析與處理

劉勇

【摘 ?要】本文根據(jù)現(xiàn)場工程實踐中遇到的問題對抗干擾問題進行了定性的分析和研究，提出了現(xiàn)場解決與之相關(guān)的問題的方案。

【關(guān)鍵詞】DCS;干擾;接地

This site works according to the problems encountered in practice interference issues on qualitative analysis and research，made the scene to solve the problems associated with the program。

引言

DCS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。雖然無論是控制系統(tǒng)硬件廠商還是電建施工人員都從各自的角度出發(fā)盡量提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但由于DCS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)所處電磁環(huán)境的復(fù)雜性以及設(shè)備硬件本身的抗干擾能力的局限性，實際運行中，控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性往往受到電磁干擾的挑戰(zhàn)。遇到此類問題，檢修人員往往知道問題的癥結(jié)，但缺乏有效的解決方案，本文根據(jù)幾個電力生產(chǎn)過程中的現(xiàn)場實例，提出解決此類問題的一般方法。

1、問題引出

某電廠機組DCS系統(tǒng)、輔控PLC系統(tǒng)機組運行后發(fā)生過幾次典型的電磁干擾引起的異?，F(xiàn)象，現(xiàn)就其現(xiàn)象產(chǎn)生的機理、問題的處理方案和引申出的防范措施和大家共同探討。

1）6A引風(fēng)機軸承溫度跳變處理

該電廠6號機組6A引風(fēng)機軸承溫度測量為熱電阻元件，共9個點，5、6、7、8、9位于同一電纜，其中7、8、9和電機線圈溫度在同一模塊。該模塊的所有溫度信號均不定期的同時跳變，跳變幅度3～6℃，其他信號正常。圖中每一點為三路導(dǎo)線，元件采用三線制接法。

檢查就地溫度元件阻值穩(wěn)定、模塊及端子板通道正常、電纜屏蔽DCS側(cè)接地良好、電纜線間絕緣對地絕緣均符合規(guī)定，判斷問題由電磁干擾引起。通過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)，在就地元件打掉的情況下只要7、8點在DCS側(cè)接入，就會對該模塊上其他信號造成干擾，將7、8點電纜導(dǎo)線引入其它模塊中現(xiàn)象依然。實際表明該模塊單通道引入的干擾會影響整個模塊的正常工作。疑問：為何6A引風(fēng)機軸承溫度電纜中其它導(dǎo)線未對模塊引入干擾。分析如下：

首先介紹一下屏蔽的作用和屏蔽層的材料對屏蔽效果的影響。

屏蔽是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體地講，就是用屏蔽體將電子元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散;用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們收到外界電磁場的影響。屏蔽體對來自導(dǎo)線、電纜、元部件以及電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以利用屏蔽體可以非常有效地減弱電磁干擾。屏蔽材料選擇的原則如下：（1）當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導(dǎo)率）的金屬材料中產(chǎn)生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果。（2）當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴散到屏蔽的空間去。（3）在某些特定場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的評比效果時，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)6A引風(fēng)機軸承溫度電纜為普通屏蔽電纜，屏蔽層材料為金屬銅，屏蔽層結(jié)構(gòu)為銅帶包敷方式。該類電纜對高頻電磁干擾屏蔽效果較好，但對于頻率較低的電磁干擾則效果較差。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)多處由于現(xiàn)場實際條件所限制，動力電纜、信號電纜分層敷設(shè)的原則并未完全貫徹，存在動力電纜、信號電纜混放的現(xiàn)象。由于電力強電線纜多為非屏蔽電纜，其交變電流會在周圍會產(chǎn)生交變的磁通，頻率較低。

抗低頻電磁干擾能力較弱的控制電纜處在低頻電磁環(huán)境中，如果低頻電磁能量達到一定值就會在控制電纜內(nèi)導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動勢，造成線路上的干擾。某一導(dǎo)線上的干擾大小和它與周圍介質(zhì)形成的電路結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，當(dāng)該電路的諧振頻率和干擾頻率接近時就會產(chǎn)生較高的干擾電動勢，對有用信號影響較大。

同一電纜內(nèi)的導(dǎo)線所處的電磁環(huán)境一致，但由于其相對位置的不同造成其電路結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，從而使它們的諧振頻率有較大差異，最終影響到它們接收到的干擾信號強弱不同。干擾信號達到一定程度就會使信號失真，再達到一定程度就會造成對模塊的其它通道的干擾。

明確了引起本次現(xiàn)象干擾產(chǎn)生的機理，確定以下方案。

方案一：找到干擾的部位，分開動力電纜，減小該信號電纜周圍的低頻電磁能量。

方案二：重新敷設(shè)該信號電纜，采用對絞對屏電纜，以增強抗低頻、高頻干擾的能力。

方案三：將7、8點的信號線通過電容接地，改變7、8點導(dǎo)線與周圍介質(zhì)形成的電路結(jié)構(gòu)參數(shù)。

實施過程中，綜合考慮選用方案三。將7、8點的信號線通過100uF電容接地，原理圖如下：

該方案的關(guān)鍵是確定接地電容的容量，根據(jù)試驗，電容容量范圍在22uF～220uF效果比較好，既可以消除電磁干擾對測量帶來的影響又可以保證量值有較好的動態(tài)特性。但該方案的前提是必須保證接地電容的質(zhì)量品質(zhì)。如果電容漏阻較大或則損壞，會對測量引入更大的干擾甚至破壞。如果條件允許更推薦方案二。

2）碎煤機狀態(tài)顯示不正常處理

該電廠輸煤程控PLC系統(tǒng)，6A、6B碎煤機的運行狀態(tài)、各報警狀態(tài)自投運以來都不能正常顯示。碎煤機的各種狀態(tài)由就地?zé)o源干接點提供，通過16芯普通屏蔽電纜送至PLC程控柜，經(jīng)柜內(nèi)中間繼電器隔離后送干接點信號至PLC模塊。中間繼電器驅(qū)動電源為交流220V。只要就地任一干接點閉合，相應(yīng)中間繼電器勵磁，其它的同一電纜的中間繼電器都會時斷時續(xù)的勵磁，其線圈兩端有高達150V～230V的交流電壓，PLC上碎煤機的狀態(tài)顯示出現(xiàn)非正常變化。

該電纜兩端接線如圖3所示（只畫出三路信號代表）：其中J1、J2、J3為就地?zé)o源干接點，K1、K2、K3為交流AC220V中間繼電器。

檢查電纜的絕緣、屏蔽以及PLC系統(tǒng)的屏蔽均無問題，確定是電磁干擾引起。干擾產(chǎn)生的原因是：該電纜從始端到終端長達700米，同一電纜內(nèi)的傳輸導(dǎo)線間有較大的分布參數(shù)。只要有就地接點閉合，與之連接的兩根導(dǎo)線內(nèi)就會流過工頻電流，由于電纜很長且內(nèi)部導(dǎo)線走向一致，交變電流產(chǎn)生的交變電磁場對其它導(dǎo)線形成的感應(yīng)電勢以及阻抗互相耦合產(chǎn)生的耦合電勢大到已足可以驅(qū)動繼電器的線圈。根據(jù)分析，有兩種方案可供選擇：

A、減少干擾源的電磁輻射。利用高品質(zhì)的多芯對絞對屏電纜替代原來的普通屏蔽電纜，對絞對屏電纜可以有效的消除電纜線內(nèi)的相互干擾。

B、改變干擾源的性質(zhì)，更改原來中間繼電器的驅(qū)動模式。經(jīng)過計算和實測，單個回路的導(dǎo)線電阻約20歐姆，而一般的直流24V的繼電器線圈阻值超過16千歐，因此可以用直流24V的繼電器更換原來的交流中間繼電器，相應(yīng)的驅(qū)動電源改用直流24V。大幅降低電纜內(nèi)部導(dǎo)線間的電磁干擾。

從整體的性價比上和施工的難度上考慮最終選用方案B。改造原理如圖4：

改造后，碎煤機的狀態(tài)監(jiān)視恢復(fù)正常。結(jié)論：長距離控制系統(tǒng)的控制電源宜采用直流電源。

3）化水工業(yè)泵運行狀態(tài)信號跳變

該電廠化水控制系統(tǒng)PLC采用施耐德昆騰系列，化水工業(yè)泵就地設(shè)置遠程I/O柜，通過同軸電纜將數(shù)字量信號送至化水PLC系統(tǒng)過程控制網(wǎng)，傳輸距離180米。自投產(chǎn)以來頻繁出現(xiàn)化水工業(yè)泵運行狀態(tài)信號翻轉(zhuǎn)（實際工業(yè)泵未跳），引起運行泵出口門關(guān)閉，導(dǎo)致運行泵跳閘現(xiàn)象。

檢查同軸電纜的絕緣、屏蔽以及PLC系統(tǒng)的屏蔽及各接地均無問題。但發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場多處動力電纜、信號電纜混放嚴重。分析：動力電纜產(chǎn)生的強交變磁通，對同軸電纜的信號傳輸影響較大。

根據(jù)分析，首先用雙屏蔽層的同軸電纜替換原線纜，翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象有所減少，但依然存在。最后決定改變信號傳輸方式，采用光纜傳輸，徹底消除電纜電磁干擾的影響。改造后化水工業(yè)泵運行狀態(tài)信號翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象沒有再出現(xiàn)。

結(jié)論：在強電磁干擾的環(huán)境下，距離較遠的數(shù)字信號傳輸宜采用光纜。

2、問題的一般解決方案

通過以上異常現(xiàn)象的分析、處理及總結(jié)，得出現(xiàn)場解決干擾問題的一般方法為：

首先排查電纜的絕緣狀況（線間絕緣、線地絕緣）、屏蔽層接地狀況，前提是檢測元件、檢測放大回路無異常，確認無問題的情況下應(yīng)從以下著手：

A.確認干擾源或確認干擾性質(zhì)

根據(jù)干擾對現(xiàn)場有用信號影響的特點，分析是否和周圍的電磁環(huán)境、電焊作業(yè)、大型設(shè)備的啟停相關(guān)，如不相關(guān)則單獨測定信號線纜對地、線間交直流電壓是否異常，如異常則屬于強干擾，一般由動力電纜的強交變磁場造成，如無異常很可能是回路竄入了高次諧波信號。采用信號線逐路接入的方式可以判明干擾的具體引入點。

B、消除干擾源或減弱干擾強度

如果確認干擾源是某一固定的裝置或線纜，可以通過技術(shù)改造減小干擾源的電磁輻射或改變干擾源的性質(zhì)。例如對固定干擾源加屏蔽設(shè)施并接地，對于不能避免的動力線引入的電磁干擾，信號電纜采用對絞對屏電纜。如果干擾源是偶然因素，則可以在控制軟件上增加濾波邏輯減少影響。

C、采用信號隔離裝置

干擾的具體引入點如果能確認，對于受干擾面不大的情況下一般采用信號隔離裝置，如果受干擾面較廣，在控制系統(tǒng)接地合格的情況下最好從干擾源著手。

D、采用接地電容或濾波電容

對于共模轉(zhuǎn)串模造成的干擾采用線纜通過電容接地會有很好的效果，對于電磁感應(yīng)造成的串模干擾可以采用信號回路間加濾波電容的方式。。但該方法有一定的局限性，它一般只能用于直流信號回路。

E、根據(jù)現(xiàn)場電磁環(huán)境的特殊性和共性，采用具有針對性的屏蔽電纜，以增強電纜的抗低頻、高頻干擾的能力;對于距離較遠的數(shù)字信號傳輸最好采用光纜。

3、結(jié)束語

現(xiàn)場的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，干擾源一般是多種效應(yīng)的綜合，對影響系統(tǒng)運行的主要干擾源很難判斷，因此消除干擾源很困難。根本的辦法還是提高系統(tǒng)本生的抗干擾能力。這就要求我們從傳輸方式的確定、設(shè)備的選型、設(shè)備的安裝、電纜的選型、電纜的敷設(shè)、接地點的選擇等等各個環(huán)節(jié)嚴格把關(guān)。只有每一環(huán)節(jié)都符合相應(yīng)的規(guī)定，才能最大限度的提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

參考文獻：

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[2]葉志瓊.電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù).通訊技術(shù)，2005，22（1）

[3]米切爾.麥迪硅安.電磁干擾排查及故障解決的電磁兼容技術(shù).機械工業(yè)出版社

（作者單位：大唐略陽發(fā)電有限責(zé)任公司）