自控儀表系統(tǒng)的防干擾策略

梁宇辰

（吉林省石油化工設(shè)計(jì)研究院，吉林長春 130021）

自動化、智能化系統(tǒng)的安裝過程中都會使用自控儀表系統(tǒng)，實(shí)時檢查其工作狀態(tài)，將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給自動化、智能化系統(tǒng)，并制定控制策略，從而保證生產(chǎn)的安全性和持續(xù)性。但是自動控制儀表的類型，根據(jù)其監(jiān)測目標(biāo)的不同具有較大的差別，如常見的電流、電壓監(jiān)控、溫度、光源監(jiān)控，而不同類型的質(zhì)控儀表系統(tǒng)，其工作的環(huán)境受到干擾因素的影響也有較大的差別，為了確保生產(chǎn)質(zhì)量，并有效降低自動控制儀表對生產(chǎn)進(jìn)程所帶來的影響，需要對自控儀表系統(tǒng)受到干擾的類型以及產(chǎn)生的原因進(jìn)行有效的研究。

1 自控儀表系統(tǒng)的干擾類型以及產(chǎn)生原因

1.1 電磁干擾

電磁干擾是自控儀表系統(tǒng)面臨的主要干擾因素，其在工作的過程中，受到系統(tǒng)中電流、電壓、電磁力等多方面的影響，對其正常工作帶來影響。例如在儀表工作的過程中，雷電、太陽電磁波對自控儀表系統(tǒng)的正常工作帶來電離，或者產(chǎn)生空間定位的快速變化，這些干擾會進(jìn)一步引起放電干擾現(xiàn)象。如電暈放電干擾，在高壓功率的輸電線路、大功率互感器設(shè)備的工作過程中可能產(chǎn)生，并帶來短時的脈沖電流，脈沖電流會對自控儀表系統(tǒng)帶來直接的影響，引起電刷間的放電、線路導(dǎo)電等[1]。同時，在電氣設(shè)備工作的過程中，如電視、廣播會發(fā)射無線電波，對臨近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。無線電波所造成的干擾主要由工頻干擾和感應(yīng)干擾組成，工頻干擾通常為大功率電線及無線電接收的過程中，通過傳輸線路耦合產(chǎn)生干擾。感應(yīng)干擾則是在使用電子開關(guān)、脈沖發(fā)生器時，由于電流、電壓的極速變化，形成瞬時的過電流、過電壓，從而造成高次諧波分量，進(jìn)而在電氣設(shè)備的周邊產(chǎn)生交流電磁場，對自控儀表系統(tǒng)的工作效果帶來不良的影響。

1.2 機(jī)械干擾

機(jī)械干擾是在使用的過程中，由于設(shè)備的機(jī)械振動、沖擊，或者因?yàn)樵O(shè)備的搬運(yùn)等原因，使自控儀表系統(tǒng)中的元件或者設(shè)備中的元件發(fā)生抖動、松脫等位移、變形現(xiàn)象。在遇到這種問題時，自控儀表系統(tǒng)的工作精度會受到干擾，從而造成測量結(jié)果的不正常。機(jī)械干擾在工業(yè)生產(chǎn)的過程中比較常見。由于工業(yè)生產(chǎn)會采用大型機(jī)械設(shè)備，設(shè)備中的電機(jī)等元件會在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生極大的振動，從而導(dǎo)致機(jī)械干擾現(xiàn)象的產(chǎn)生[2]。此外，由于地震等特殊原因所造成的振動，也可能對自控儀表系統(tǒng)中的元件帶來不良的影響，在元件出現(xiàn)位移、脫落等的情況下，其工作的精準(zhǔn)度、可靠性都會受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致最終的測量結(jié)果出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象。

1.3 熱干擾

自控儀表系統(tǒng)的工作環(huán)境較為復(fù)雜，在溫度較高的環(huán)境中，設(shè)備與元部件之間的溫度波動、溫度變化會對其物理性質(zhì)帶來影響，從而引起儀表或者裝置的電路元件產(chǎn)生參數(shù)變化，導(dǎo)致其在工作的過程中無法精準(zhǔn)地測量數(shù)值[3]。此外，在自控儀表系統(tǒng)工作的過程中，由于外部的客觀條件可能會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)附加電勢等現(xiàn)象，該問題會導(dǎo)致自控儀表系統(tǒng)的工作溫度快速上升，對其工作狀態(tài)帶來不良的影響，使數(shù)值的精準(zhǔn)度、自控儀表系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性受到干擾。

1.4 光干擾

自控儀表系統(tǒng)中采用大量的半導(dǎo)體元件，以提升自控儀表系統(tǒng)的自動化水平和測量的精準(zhǔn)性。在光線條件的干擾下，半導(dǎo)體元件的工作性能、穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大的變化。例如，一些半導(dǎo)體會因?yàn)楣獾淖饔靡鸾M織的變化，其性能也會有所下降。在檢測的過程中，性能下降的半導(dǎo)體會對自控儀表系統(tǒng)的工作精準(zhǔn)度帶來影響，使其無法正常工作。

1.5 濕度干擾

自控儀表工作環(huán)境在濕度較高的情況下，絕緣體的絕緣性能會有所下降，在高電壓元件的工作過程中，濕度較高可能會導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象的產(chǎn)生，會損壞自控儀表系統(tǒng)，對其工作效果帶來影響[4]。例如空氣中的濕度會導(dǎo)致絕緣電阻下降，從而產(chǎn)生漏電流，并且空氣濕度較高的時候，電介質(zhì)的介電系數(shù)比較高，電容量增加，很容易產(chǎn)生電感反應(yīng)和擊穿現(xiàn)象。此外應(yīng)變片在粘貼后，空氣濕度的影響下會導(dǎo)致其膠質(zhì)變軟，進(jìn)而在使用過程中測量的精準(zhǔn)度會產(chǎn)生較大的變化。

1.6 化學(xué)干擾

自控儀表系統(tǒng)工作環(huán)境中存在酸、堿、鹽等具有腐蝕性的化學(xué)材料，會與自控儀表系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在腐蝕、損壞設(shè)備元器件的情況下，自控儀表系統(tǒng)無法正常工作。同時在與金屬導(dǎo)體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)時，會改變金屬導(dǎo)體的性質(zhì)，并引起化學(xué)電動勢現(xiàn)象，最終對自控儀表系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)帶來不良的影響。

1.7 輻射干擾

輻射波在現(xiàn)代日常生活中比較常見，短時的強(qiáng)電磁波、射線會導(dǎo)致自控儀表系統(tǒng)周邊的環(huán)境產(chǎn)生氣體電離，并對自控儀表系統(tǒng)的金屬元件帶來不良的影響，使其溢出電子產(chǎn)生信號的波動，從而對自控儀表系統(tǒng)的工作狀態(tài)帶來不良的影響。

2 常用的自控儀表系統(tǒng)抗干擾策略

2.1 電源控制

確保自控儀表系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，通常情況下應(yīng)當(dāng)采用單獨(dú)的電源為自控儀表系統(tǒng)進(jìn)行供電，使其工作在較為穩(wěn)定的電壓、電流環(huán)境中，并在發(fā)生異常時及時切斷電路，以保護(hù)自控儀表系統(tǒng)。在生產(chǎn)的過程中應(yīng)當(dāng)采用安裝變壓器的形式，為自控儀表系統(tǒng)進(jìn)行隔離供電，使其與生產(chǎn)系統(tǒng)的強(qiáng)電區(qū)進(jìn)行有效的分離，并采用專用的接地系統(tǒng)，確保自控儀表系統(tǒng)工作在正常的狀態(tài)下[5]。此外，還可以在電源控制的過程中，使用過濾器以減少電路中存在的諧波和電波。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步控制自控儀表系統(tǒng)線路的穩(wěn)定性，避免強(qiáng)電壓、強(qiáng)電流在電路系統(tǒng)中出現(xiàn)。并做好對電源系統(tǒng)的定期檢查工作，確保電源系統(tǒng)中的各元件在絕緣性、接地性、電流/電壓的穩(wěn)定性等方面具有良好的工作狀態(tài)，從而提升自控儀表系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，并降低因電源原因所帶來的干擾現(xiàn)象。

2.2 浮空接地

在自控儀表系統(tǒng)的安裝過程中，連接信號放大器的公共線路不接機(jī)殼、不接大地，使其呈現(xiàn)浮空的狀態(tài)，從而有效抑制信號源所帶來的干擾現(xiàn)象。由于信號放大器本身擁有相互絕緣的屏蔽層，在不接地、不接機(jī)殼的情況下，測量系統(tǒng)與屏蔽層之間沒有直接的聯(lián)系，使其不會產(chǎn)生電位差，在系統(tǒng)工作的過程中也不會因?yàn)殡娢徊疃鴮?dǎo)致過電壓的出現(xiàn)，從而對干擾現(xiàn)象進(jìn)行有效的抑制。浮空處理的方式可以有效減少干擾電流對測量系統(tǒng)所造成的影響，在浮空處理的過程中，可以有效增加信號放大器與公共線路、接地線路之間的阻抗，從而避免干擾電流對測量系統(tǒng)所帶來的影響。但這種浮空狀態(tài)并不能完全解決干擾電流的影響，雖然浮空狀態(tài)下的阻抗較高，但依然存在一定的寄生電容，所以還是可能存在漏電干擾的現(xiàn)象。在選擇接地處理的過程中，可以通過安全接地、信號接地等方式來降低噪聲干擾，同時確保自控儀表系統(tǒng)在遇到高電壓、高電流時，可以通過接地線路對其進(jìn)行有效的保護(hù)。在接地處理的過程中，一定要重視接地線路的完整性，避免因絕緣包裹出現(xiàn)破損而造成的多點(diǎn)接地現(xiàn)象。多點(diǎn)接地現(xiàn)象會產(chǎn)生干擾信號，對自控儀表系統(tǒng)的信號帶來波動，從而導(dǎo)致測量問題的出現(xiàn)[6]。

2.3 環(huán)境優(yōu)化

可以對自控儀表系統(tǒng)的工作環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)測，對環(huán)境中的溫度、濕度、電壓、光照等情況進(jìn)行有效的監(jiān)測，確保自控儀表系統(tǒng)工作在較為穩(wěn)定的環(huán)境當(dāng)中。同時，在安裝、調(diào)試自控儀表的過程中，一定要穿戴好工作服并重視防靜電處理，避免外界環(huán)境影響對自控儀表系統(tǒng)工作狀態(tài)所帶來的不良影響，同時還需要建立良好的避震、避雷處理工作，避免自控儀表系統(tǒng)在工作過程中因?yàn)橄嚓P(guān)的原因而帶來的測量波動，從而全面提升自控儀表系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.4 屏蔽隔離

在自控儀表系統(tǒng)安裝的過程中，可以采用導(dǎo)電較好、抗輻射性能較高的金屬材料作為屏蔽層，利用其在工作過程中較好的抗磁場干擾能力，確保自控儀表系統(tǒng)的正常工作。導(dǎo)電性較好的金屬材料，在其工作的過程中外部的高頻干擾電磁場會與其進(jìn)行同步工作，并在金屬屏蔽層中產(chǎn)生渦流磁場，從而抵消外部電磁干擾對自控儀表系統(tǒng)所帶來的不良影響。同時還可以將金屬屏蔽層進(jìn)行接地處理，使其能夠有效切斷外部產(chǎn)生的干擾噪聲通道。通常情況下，現(xiàn)階段自控儀表系統(tǒng)最常用的屏蔽隔離方式有變壓器隔離方式和光電耦合器隔離方式。

2.5 濾波抑制

在自控儀表系統(tǒng)中安裝濾波器是抗干擾的重要手段，特別是對于電路中產(chǎn)生的各種干擾因素，可以使用濾波器對干擾噪聲的頻率分布進(jìn)行有效的過濾，提升信噪比，從而避免干擾噪聲對自控儀表系統(tǒng)所帶來的影響[7]。由于在實(shí)際運(yùn)用的過程中不同的濾波器起到的作用也有較大的差別，其使用經(jīng)常采取與干擾噪聲對稱的濾波器對其進(jìn)行過濾。例如，在直流電源輸出濾波器的使用過程中，由于通常在自控儀表系統(tǒng)公用的線路，加裝去耦濾波器，可以避免多個回路在使用過程中所產(chǎn)生的相互干擾現(xiàn)象，同時也可以對每個回路的電流進(jìn)行控制，并采用濾波器來降低各個回路之間的干擾。

3 某企業(yè)自控儀表系統(tǒng)的抗干擾處理實(shí)例

3.1 干擾現(xiàn)象

某企業(yè)在生產(chǎn)過程中自控儀表系統(tǒng)出現(xiàn)多次信號擾動現(xiàn)象，該現(xiàn)象呈現(xiàn)不規(guī)則的波動，數(shù)據(jù)的變化波動較大，與實(shí)際的信號參數(shù)值不吻合，且產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象是不規(guī)則沒有規(guī)律的。在DCS 對其進(jìn)行控制的過程中，存在多次信號中斷的現(xiàn)象，但由于工作人員缺乏對應(yīng)的技術(shù)能力，并沒有對其進(jìn)行有效的抗干擾改造。同時系統(tǒng)的工作環(huán)境中存在較多的電氣設(shè)備，而系統(tǒng)所輸出的弱電信號極易受到周邊電氣設(shè)備電磁干擾的影響，且系統(tǒng)中并沒有采取有效的抗電磁干擾處理，導(dǎo)致信號失真現(xiàn)象比較常見。

3.2 原因分析

由于該系統(tǒng)工作環(huán)境中大功率的電氣設(shè)備較多，且各種信號電纜存在一起捆扎的現(xiàn)象，使其在運(yùn)行的過程中可能存在相互干擾現(xiàn)象。同時，自控儀表系統(tǒng)的信號線與交流電線都埋設(shè)在同一個管道中，導(dǎo)致相互干擾的現(xiàn)象較為頻繁。

另外對其干擾類型的分析主要為噪聲干擾和電磁干擾。由于電荷劇烈移動的過程中，對該系統(tǒng)的信號帶來不良的影響；由于其采用的配電器隔離性能較差，在供電的過程中，可能產(chǎn)生共模電壓對測量信號、元器件的工作狀態(tài)帶來不良的影響。

因此，干擾該系統(tǒng)正常工作的主要因素是由以下內(nèi)容組成：①空間輻射干擾。在使用的過程中，由于電力網(wǎng)絡(luò)、周邊大功率電氣設(shè)備所產(chǎn)生的高頻電磁場對其造成輻射干擾；②采用DCS 通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸?shù)倪^程中，由于電磁場的變化而產(chǎn)生干擾；③系統(tǒng)外的線路干擾。電源混用、信號線路與交流線路共用管道，所導(dǎo)致的相關(guān)干擾現(xiàn)象。

3.3 抗干擾處理

（1）采用隔離技術(shù)對該系統(tǒng)的工作環(huán)境進(jìn)行有效的隔離，切斷外部電磁波所帶來的干擾現(xiàn)象。采用光電隔離措施，避免小能量、弱信號回路遭受外部電磁場的干擾。并采用繼電器對強(qiáng)弱電之間的噪聲進(jìn)行有效的處理。

（2）改造該系統(tǒng)的電源。①為該系統(tǒng)提供獨(dú)立電源，并采用一定的隔離措施來降低電源對其所帶來的干擾；②使用分布電容較小、抑制帶較大的穩(wěn)壓電源，從而減少電源給該系統(tǒng)所帶來的影響。③進(jìn)一步完善接地和屏蔽措施，將數(shù)字和模擬電路的工作地浮空，從而抑制DCS 可能帶來的干擾現(xiàn)象。并避免接地過程中的多點(diǎn)接地現(xiàn)象，將信號線路與電源線路進(jìn)行隔離。

4 結(jié)束語

綜上所述，自控儀表系統(tǒng)的工作環(huán)境較為復(fù)雜，干擾其正常工作的原因較多，因此需要對自控儀表系統(tǒng)的干擾現(xiàn)象以及干擾原因進(jìn)行全面的掌握，并根據(jù)導(dǎo)致干擾的主要原因來采取對應(yīng)的抗干擾策略，從而避免干擾因素對測量結(jié)果、工作穩(wěn)定性所帶來的影響。