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【摘 要】本文根据现场工程实践中遇到的问题对抗干扰问题进行了定性的分析和研究，提出了现场解决与之相关的问题的方案。
【关键词】DCS;干扰;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系统、PLC系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。虽然无论是控制系统硬件厂商还是电建施工人员都从各自的角度出发尽量提高系统的抗干扰能力，但由于DCS系统、PLC系统所处电磁环境的复杂性以及设备硬件本身的抗干扰能力的局限性，实际运行中，控制系统数据采集的稳定性往往受到电磁干扰的挑战。遇到此类问题，检修人员往往知道问题的症结，但缺乏有效的解决方案，本文根据几个电力生产过程中的现场实例，提出解决此类问题的一般方法。
1、问题引出
某电厂机组DCS系统、辅控PLC系统机组运行后发生过几次典型的电磁干扰引起的异常现象，现就其现象产生的机理、问题的处理方案和引申出的防范措施和大家共同探讨。
1）6A引风机轴承温度跳变处理
该电厂6号机组6A引风机轴承温度测量为热电阻元件，共9个点，5、6、7、8、9位于同一电缆，其中7、8、9和电机线圈温度在同一模块。该模块的所有温度信号均不定期的同时跳变，跳变幅度3～6℃，其他信号正常。图中每一点为三路导线，元件采用三线制接法。
检查就地温度元件阻值稳定、模块及端子板通道正常、电缆屏蔽DCS侧接地良好、电缆线间绝缘对地绝缘均符合规定，判断问题由电磁干扰引起。通过反复试验发现，在就地元件打掉的情况下只要7、8点在DCS侧接入，就会对该模块上其他信号造成干扰，将7、8点电缆导线引入其它模块中现象依然。实际表明该模块单通道引入的干扰会影响整个模块的正常工作。疑问：为何6A引风机轴承温度电缆中其它导线未对模块引入干扰。分析如下：
首先介绍一下屏蔽的作用和屏蔽层的材料对屏蔽效果的影响。
屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体地讲，就是用屏蔽体将电子元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们收到外界电磁场的影响。屏蔽体对来自导线、电缆、元部件以及电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以利用屏蔽体可以非常有效地减弱电磁干扰。屏蔽材料选择的原则如下：（1）当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率（高电导率）的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。（2）当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。（3）在某些特定场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的评比效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。
经现场检查发现6A引风机轴承温度电缆为普通屏蔽电缆，屏蔽层材料为金属铜，屏蔽层结构为铜带包敷方式。该类电缆对高频电磁干扰屏蔽效果较好，但对于频率较低的电磁干扰则效果较差。
现场检查发现多处由于现场实际条件所限制，动力电缆、信号电缆分层敷设的原则并未完全贯彻，存在动力电缆、信号电缆混放的现象。由于电力强电线缆多为非屏蔽电缆，其交变电流会在周围会产生交变的磁通，频率较低。
抗低频电磁干扰能力较弱的控制电缆处在低频电磁环境中，如果低频电磁能量达到一定值就会在控制电缆内导体之间产生电动势，造成线路上的干扰。某一导线上的干扰大小和它与周围介质形成的电路结构参数有关，当该电路的谐振频率和干扰频率接近时就会产生较高的干扰电动势，对有用信号影响较大。
同一电缆内的导线所处的电磁环境一致，但由于其相对位置的不同造成其电路结构参数的不同，从而使它们的谐振频率有较大差异，最终影响到它们接收到的干扰信号强弱不同。干扰信号达到一定程度就会使信号失真，再达到一定程度就会造成对模块的其它通道的干扰。
明确了引起本次现象干扰产生的機理，确定以下方案。
方案一：找到干扰的部位，分开动力电缆，减小该信号电缆周围的低频电磁能量。
方案二：重新敷设该信号电缆，采用对绞对屏电缆，以增强抗低频、高频干扰的能力。
方案三：将7、8点的信号线通过电容接地，改变7、8点导线与周围介质形成的电路结构参数。
实施过程中，综合考虑选用方案三。将7、8点的信号线通过100uF电容接地，原理图如下：
该方案的关键是确定接地电容的容量，根据试验，电容容量范围在22uF～220uF效果比较好，既可以消除电磁干扰对测量带来的影响又可以保证量值有较好的动态特性。但该方案的前提是必须保证接地电容的质量品质。如果电容漏阻较大或则损坏，会对测量引入更大的干扰甚至破坏。如果条件允许更推荐方案二。
2）碎煤机状态显示不正常处理
该电厂输煤程控PLC系统，6A、6B碎煤机的运行状态、各报警状态自投运以来都不能正常显示。碎煤机的各种状态由就地无源干接点提供，通过16芯普通屏蔽电缆送至PLC程控柜，经柜内中间继电器隔离后送干接点信号至PLC模块。中间继电器驱动电源为交流220V。只要就地任一干接点闭合，相应中间继电器励磁，其它的同一电缆的中间继电器都会时断时续的励磁，其线圈两端有高达150V～230V的交流电压，PLC上碎煤机的状态显示出现非正常变化。 该电缆两端接线如图3所示（只画出三路信号代表）：其中J1、J2、J3为就地无源干接点，K1、K2、K3为交流AC220V中间继电器。
检查电缆的绝缘、屏蔽以及PLC系统的屏蔽均无问题，确定是电磁干扰引起。干扰产生的原因是：该电缆从始端到终端长达700米，同一电缆内的传输导线间有较大的分布参数。只要有就地接点闭合，与之连接的两根导线内就会流过工频电流，由于电缆很长且内部导线走向一致，交变电流产生的交变电磁场对其它导线形成的感应电势以及阻抗互相耦合产生的耦合电势大到已足可以驱动继电器的线圈。根据分析，有两种方案可供选择：
A、减少干扰源的电磁辐射。利用高品质的多芯对绞对屏电缆替代原来的普通屏蔽电缆，对绞对屏电缆可以有效的消除电缆线内的相互干扰。
B、改变干扰源的性质，更改原来中间继电器的驱动模式。经过计算和实测，单个回路的导线电阻约20欧姆，而一般的直流24V的继电器线圈阻值超过16千欧，因此可以用直流24V的继电器更换原来的交流中间继电器，相应的驱动电源改用直流24V。大幅降低电缆内部导线间的电磁干扰。
从整体的性价比上和施工的难度上考虑最终选用方案B。改造原理如图4：
改造后，碎煤机的状态监视恢复正常。结论：长距离控制系统的控制电源宜采用直流电源。
3）化水工业泵运行状态信号跳变
该电厂化水控制系统PLC采用施耐德昆腾系列，化水工业泵就地设置远程I/O柜，通过同轴电缆将数字量信号送至化水PLC系统过程控制网，传输距离180米。自投产以来频繁出现化水工业泵运行状态信号翻转（实际工业泵未跳），引起运行泵出口门关闭，导致运行泵跳闸现象。
检查同轴电缆的绝缘、屏蔽以及PLC系统的屏蔽及各接地均无问题。但发现现场多处动力电缆、信号电缆混放严重。分析：动力电缆产生的强交变磁通，对同轴电缆的信号传输影响较大。
根据分析，首先用双屏蔽层的同轴电缆替换原线缆，翻转现象有所减少，但依然存在。最后决定改变信号传输方式，采用光缆传输，彻底消除电缆电磁干扰的影响。改造后化水工业泵运行状态信号翻转的现象没有再出现。
结论：在强电磁干扰的环境下，距离较远的数字信号传输宜采用光缆。
2、问题的一般解决方案
通过以上异常现象的分析、处理及总结，得出现场解决干扰问题的一般方法为：
首先排查电缆的绝缘状况（线间绝缘、线地绝缘）、屏蔽层接地状况，前提是检测元件、检测放大回路无异常，确认无问题的情况下应从以下着手：
A.确认干扰源或确认干扰性质
根据干扰对现场有用信号影响的特点，分析是否和周围的电磁环境、电焊作业、大型设备的启停相关，如不相关则单独测定信号线缆对地、线间交直流电压是否异常，如异常则属于强干扰，一般由动力电缆的强交变磁场造成，如无异常很可能是回路窜入了高次谐波信号。采用信号线逐路接入的方式可以判明干扰的具体引入点。
B、消除干扰源或减弱干扰强度
如果确认干扰源是某一固定的装置或线缆，可以通过技术改造减小干扰源的电磁辐射或改变干扰源的性质。例如对固定干扰源加屏蔽设施并接地，对于不能避免的动力线引入的电磁干扰，信号电缆采用对绞对屏电缆。如果干扰源是偶然因素，则可以在控制软件上增加滤波逻辑减少影响。
C、采用信号隔离装置
干扰的具体引入点如果能确认，对于受干扰面不大的情况下一般采用信号隔离装置，如果受干扰面较广，在控制系统接地合格的情况下最好从干扰源着手。
D、采用接地电容或滤波电容
对于共模转串模造成的干扰采用线缆通过电容接地会有很好的效果，对于电磁感应造成的串模干擾可以采用信号回路间加滤波电容的方式。。但该方法有一定的局限性，它一般只能用于直流信号回路。
E、根据现场电磁环境的特殊性和共性，采用具有针对性的屏蔽电缆，以增强电缆的抗低频、高频干扰的能力;对于距离较远的数字信号传输最好采用光缆。
3、结束语
现场的电磁环境非常复杂，干扰源一般是多种效应的综合，对影响系统运行的主要干扰源很难判断，因此消除干扰源很困难。根本的办法还是提高系统本生的抗干扰能力。这就要求我们从传输方式的确定、设备的选型、设备的安装、电缆的选型、电缆的敷设、接地点的选择等等各个环节严格把关。只有每一环节都符合相应的规定，才能最大限度的提高系统的抗干扰能力。
参考文献：
[1]何金良.《电磁干扰的隔离与抑制技术》.科学出版社，2015
[2]叶志琼.电子设备的电磁兼容技术.通讯技术，2005，22（1）
[3]米切尔.麦迪硅安.电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术.机械工业出版社
（作者单位：大唐略阳发电有限责任公司）
【关键词】DCS;干扰;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系统、PLC系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。虽然无论是控制系统硬件厂商还是电建施工人员都从各自的角度出发尽量提高系统的抗干扰能力，但由于DCS系统、PLC系统所处电磁环境的复杂性以及设备硬件本身的抗干扰能力的局限性，实际运行中，控制系统数据采集的稳定性往往受到电磁干扰的挑战。遇到此类问题，检修人员往往知道问题的症结，但缺乏有效的解决方案，本文根据几个电力生产过程中的现场实例，提出解决此类问题的一般方法。
1、问题引出
某电厂机组DCS系统、辅控PLC系统机组运行后发生过几次典型的电磁干扰引起的异常现象，现就其现象产生的机理、问题的处理方案和引申出的防范措施和大家共同探讨。
1）6A引风机轴承温度跳变处理
该电厂6号机组6A引风机轴承温度测量为热电阻元件，共9个点，5、6、7、8、9位于同一电缆，其中7、8、9和电机线圈温度在同一模块。该模块的所有温度信号均不定期的同时跳变，跳变幅度3～6℃，其他信号正常。图中每一点为三路导线，元件采用三线制接法。
检查就地温度元件阻值稳定、模块及端子板通道正常、电缆屏蔽DCS侧接地良好、电缆线间绝缘对地绝缘均符合规定，判断问题由电磁干扰引起。通过反复试验发现，在就地元件打掉的情况下只要7、8点在DCS侧接入，就会对该模块上其他信号造成干扰，将7、8点电缆导线引入其它模块中现象依然。实际表明该模块单通道引入的干扰会影响整个模块的正常工作。疑问：为何6A引风机轴承温度电缆中其它导线未对模块引入干扰。分析如下：
首先介绍一下屏蔽的作用和屏蔽层的材料对屏蔽效果的影响。
屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体地讲，就是用屏蔽体将电子元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们收到外界电磁场的影响。屏蔽体对来自导线、电缆、元部件以及电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以利用屏蔽体可以非常有效地减弱电磁干扰。屏蔽材料选择的原则如下：（1）当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率（高电导率）的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。（2）当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。（3）在某些特定场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的评比效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。
经现场检查发现6A引风机轴承温度电缆为普通屏蔽电缆，屏蔽层材料为金属铜，屏蔽层结构为铜带包敷方式。该类电缆对高频电磁干扰屏蔽效果较好，但对于频率较低的电磁干扰则效果较差。
现场检查发现多处由于现场实际条件所限制，动力电缆、信号电缆分层敷设的原则并未完全贯彻，存在动力电缆、信号电缆混放的现象。由于电力强电线缆多为非屏蔽电缆，其交变电流会在周围会产生交变的磁通，频率较低。
抗低频电磁干扰能力较弱的控制电缆处在低频电磁环境中，如果低频电磁能量达到一定值就会在控制电缆内导体之间产生电动势，造成线路上的干扰。某一导线上的干扰大小和它与周围介质形成的电路结构参数有关，当该电路的谐振频率和干扰频率接近时就会产生较高的干扰电动势，对有用信号影响较大。
同一电缆内的导线所处的电磁环境一致，但由于其相对位置的不同造成其电路结构参数的不同，从而使它们的谐振频率有较大差异，最终影响到它们接收到的干扰信号强弱不同。干扰信号达到一定程度就会使信号失真，再达到一定程度就会造成对模块的其它通道的干扰。
明确了引起本次现象干扰产生的機理，确定以下方案。
方案一：找到干扰的部位，分开动力电缆，减小该信号电缆周围的低频电磁能量。
方案二：重新敷设该信号电缆，采用对绞对屏电缆，以增强抗低频、高频干扰的能力。
方案三：将7、8点的信号线通过电容接地，改变7、8点导线与周围介质形成的电路结构参数。
实施过程中，综合考虑选用方案三。将7、8点的信号线通过100uF电容接地，原理图如下：
该方案的关键是确定接地电容的容量，根据试验，电容容量范围在22uF～220uF效果比较好，既可以消除电磁干扰对测量带来的影响又可以保证量值有较好的动态特性。但该方案的前提是必须保证接地电容的质量品质。如果电容漏阻较大或则损坏，会对测量引入更大的干扰甚至破坏。如果条件允许更推荐方案二。
2）碎煤机状态显示不正常处理
该电厂输煤程控PLC系统，6A、6B碎煤机的运行状态、各报警状态自投运以来都不能正常显示。碎煤机的各种状态由就地无源干接点提供，通过16芯普通屏蔽电缆送至PLC程控柜，经柜内中间继电器隔离后送干接点信号至PLC模块。中间继电器驱动电源为交流220V。只要就地任一干接点闭合，相应中间继电器励磁，其它的同一电缆的中间继电器都会时断时续的励磁，其线圈两端有高达150V～230V的交流电压，PLC上碎煤机的状态显示出现非正常变化。 该电缆两端接线如图3所示（只画出三路信号代表）：其中J1、J2、J3为就地无源干接点，K1、K2、K3为交流AC220V中间继电器。
检查电缆的绝缘、屏蔽以及PLC系统的屏蔽均无问题，确定是电磁干扰引起。干扰产生的原因是：该电缆从始端到终端长达700米，同一电缆内的传输导线间有较大的分布参数。只要有就地接点闭合，与之连接的两根导线内就会流过工频电流，由于电缆很长且内部导线走向一致，交变电流产生的交变电磁场对其它导线形成的感应电势以及阻抗互相耦合产生的耦合电势大到已足可以驱动继电器的线圈。根据分析，有两种方案可供选择：
A、减少干扰源的电磁辐射。利用高品质的多芯对绞对屏电缆替代原来的普通屏蔽电缆，对绞对屏电缆可以有效的消除电缆线内的相互干扰。
B、改变干扰源的性质，更改原来中间继电器的驱动模式。经过计算和实测，单个回路的导线电阻约20欧姆，而一般的直流24V的继电器线圈阻值超过16千欧，因此可以用直流24V的继电器更换原来的交流中间继电器，相应的驱动电源改用直流24V。大幅降低电缆内部导线间的电磁干扰。
从整体的性价比上和施工的难度上考虑最终选用方案B。改造原理如图4：
改造后，碎煤机的状态监视恢复正常。结论：长距离控制系统的控制电源宜采用直流电源。
3）化水工业泵运行状态信号跳变
该电厂化水控制系统PLC采用施耐德昆腾系列，化水工业泵就地设置远程I/O柜，通过同轴电缆将数字量信号送至化水PLC系统过程控制网，传输距离180米。自投产以来频繁出现化水工业泵运行状态信号翻转（实际工业泵未跳），引起运行泵出口门关闭，导致运行泵跳闸现象。
检查同轴电缆的绝缘、屏蔽以及PLC系统的屏蔽及各接地均无问题。但发现现场多处动力电缆、信号电缆混放严重。分析：动力电缆产生的强交变磁通，对同轴电缆的信号传输影响较大。
根据分析，首先用双屏蔽层的同轴电缆替换原线缆，翻转现象有所减少，但依然存在。最后决定改变信号传输方式，采用光缆传输，彻底消除电缆电磁干扰的影响。改造后化水工业泵运行状态信号翻转的现象没有再出现。
结论：在强电磁干扰的环境下，距离较远的数字信号传输宜采用光缆。
2、问题的一般解决方案
通过以上异常现象的分析、处理及总结，得出现场解决干扰问题的一般方法为：
首先排查电缆的绝缘状况（线间绝缘、线地绝缘）、屏蔽层接地状况，前提是检测元件、检测放大回路无异常，确认无问题的情况下应从以下着手：
A.确认干扰源或确认干扰性质
根据干扰对现场有用信号影响的特点，分析是否和周围的电磁环境、电焊作业、大型设备的启停相关，如不相关则单独测定信号线缆对地、线间交直流电压是否异常，如异常则属于强干扰，一般由动力电缆的强交变磁场造成，如无异常很可能是回路窜入了高次谐波信号。采用信号线逐路接入的方式可以判明干扰的具体引入点。
B、消除干扰源或减弱干扰强度
如果确认干扰源是某一固定的装置或线缆，可以通过技术改造减小干扰源的电磁辐射或改变干扰源的性质。例如对固定干扰源加屏蔽设施并接地，对于不能避免的动力线引入的电磁干扰，信号电缆采用对绞对屏电缆。如果干扰源是偶然因素，则可以在控制软件上增加滤波逻辑减少影响。
C、采用信号隔离装置
干扰的具体引入点如果能确认，对于受干扰面不大的情况下一般采用信号隔离装置，如果受干扰面较广，在控制系统接地合格的情况下最好从干扰源着手。
D、采用接地电容或滤波电容
对于共模转串模造成的干扰采用线缆通过电容接地会有很好的效果，对于电磁感应造成的串模干擾可以采用信号回路间加滤波电容的方式。。但该方法有一定的局限性，它一般只能用于直流信号回路。
E、根据现场电磁环境的特殊性和共性，采用具有针对性的屏蔽电缆，以增强电缆的抗低频、高频干扰的能力;对于距离较远的数字信号传输最好采用光缆。
3、结束语
现场的电磁环境非常复杂，干扰源一般是多种效应的综合，对影响系统运行的主要干扰源很难判断，因此消除干扰源很困难。根本的办法还是提高系统本生的抗干扰能力。这就要求我们从传输方式的确定、设备的选型、设备的安装、电缆的选型、电缆的敷设、接地点的选择等等各个环节严格把关。只有每一环节都符合相应的规定，才能最大限度的提高系统的抗干扰能力。
参考文献：
[1]何金良.《电磁干扰的隔离与抑制技术》.科学出版社，2015
[2]叶志琼.电子设备的电磁兼容技术.通讯技术，2005，22（1）
[3]米切尔.麦迪硅安.电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术.机械工业出版社
（作者单位：大唐略阳发电有限责任公司）