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[摘 要]本文对工控设备在生产现场应用过程中可能受到的来自空间辐射干扰、供电系统干扰、信号线干扰等进行了系统的分析，说明了这些干扰对控制信号可能造成的影响，并给出了相应的抗干扰手段与措施，对工控设备的抗干扰设计具有一定的指导意义
[关鍵词]工控设备，干扰，控制信号，抗干扰措施
中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0072-01
引言
随着我国经济的发展和工业自动化水平的不断提高，以PLC和DCS系统等为主的工控设备逐渐在工业现场中得到了广泛的应用和发展，并且规模呈现逐年扩大的趋势[1]。工业现场的自动化仪表设备与控制设备不断增加，种类越来越复杂，对于控制系统信号的准确传输提出了更高的要求[2-3]。特别是在现场设备的调试阶段，工控设备控制信号的干扰问题显得十分重要，同样这也是工厂在生产过程中的一个安全隐患，如何清楚地识别干扰的来源，有效地屏蔽信号干扰，保证信号传输的及时准确，是工业现场急需解决的重要问题。
1 工控设备控制信号
工控设备，指的是工业自动化控制设备，通过电气、机械、软件等部分组合实现对工业现场生产制造过程的自动化控制，常见的工控设备有PLC、DCS、IPC、FCS以及CNC等。工控设备作为工业现场的智能控制中心，通过现场分布的传感器来获知生产过程的数据信息，通过下发控制命令的方式来对现场设备进行控制[4]。
对于生产过程的监控，需要涉及到许多仪表与控制设备，例如：温度传感器、流量表、管道阀、电动机、继电器等，其中传输的信号小到毫伏，大到数十伏，甚至在特殊的工业环境中，还会存在高达数千伏的信号需要工控设备来进行处理[5]。同样，所需要处理的信号再频率角度上看，也存在从直流低频到脉冲高频的各种可能的信号。所以对于工控设备的抗干扰问题，要清楚了解干扰问题的来源，对不同的干扰采取不同的处理方式来予以屏蔽或消除。
2 干扰来源分析
信号干扰也即噪声，是由外界环境叠加到信号电缆的、与原信号无关的点信号，会造成原始控制信号的失真，更为严重的可能会导致设备误操作，造成不可预知的损失。处在工业现场的噪声源，一般产生自电流或电压发生剧烈变化的部位[6]。
干扰的分类原则有很多，例如：按照干扰产生的原因可分为放电噪声、高频噪声等；按照噪声的波形性质可分为持续噪声、突发噪声等，其中较为常用的是按照干扰模式不同来进行分类，一般可以分为共模干扰和差模干扰。共模干扰指的是干扰电压在信号线与信号地线上的幅度相同，主要来源可能是电源、地电位差以及电磁辐射在信号线上感应产生的同向电压。差模干扰是指干扰电压存在与信号线与信号地线之间，主要可能的来源是由空间电磁场在信号线上耦合感应以及由于电路的不平衡导致共模干扰转换而成，差模干扰如果直接被叠加到控制信号上，会直接影响控制信号的控制精度，甚至可能造成元件的损坏。工控设备中会不同程度的收到上述两种类型的干扰影响，差模干扰会直接对控制系统的性能造成影响，那么弄清楚这些干扰的主要来源至关重要。
2.1 空间辐射干扰
空间辐射干扰主要指的是电台、雷电、高频设备等产生的电磁干扰，此类干扰无法从干扰源入手进行干扰抑制，一般从传播途径上下手，切断或者减弱其对设备造成的影响。处在室外的工控设备，或者有线缆从室外经过时，该设备就有可能会遭受雷击，导致设备损坏。在实际的设计中，可以通过屏蔽、隔离、合理布线和安装防雷装置来进行屏蔽。其中较为容易实现的就是安装防雷装置，这种装置不仅能够泄放由于雷击造成的浪涌电流，而且同时能够限制过电压幅值，能够有效的保护设备免遭雷电损伤。根据不同设备的不同要求，防雷装置也应该采取分级保护的原则。对于PLC系统来说，一般可能直接在其内部产生感应干扰，另外也可能通过PLC的通信线路从而引入干扰。
2.2 供电系统干扰
这种干扰在工业现场较为常见，由于工控设备一般使用电网进行供电，电网电压的波动、同处在一个电网中大功率设备的启停、交直流传动装置造成的谐波干扰，都会使得工控设备受到不同程度的干扰。供电系统一般来自两个方面，一是工控设备自身的供电电源直接影响设备控制信号；二是通过传感器变送器的供电电源或者是与工控设备存在直接电气连接的设备的供电电源等耦合进入。一般由于供电系统造成的干扰，可以通过安装滤波器、采用隔离电源、光电耦合隔离等方式进行处理。一般来说，PLC在使用单相工频电供电时，对电压的要求不高，也能拥有较强的抗干扰能力，而对于可靠性要求比较高的场合，就需要进行屏蔽层隔离变压器等措施，进行滤波。常见的滤波电路如图1所示。
2.3 信号线引入干扰
通过信号线引入的干扰，会导致工控设备运行不稳定，造成IO信号工作异常，从而使得控制信号紊乱，严重时甚至损坏输出，造成无法恢复的系统故障。一般可以通过对输入信号增加滤波模块、抑制输入的感应电动势等方法来进行相应处理。在PLC系统中，这种干扰主要的来源有两种：一是通过前端的变送器供电电源或者一些共用的信号仪表的供电电源的干扰，通常这条途径串入的干扰很容易被忽视；另外，可能信号线会受到空间电磁辐射感应，从而产生干扰，这是往往会造成很严重的干扰。
由信号线引入到PLC系统中的干扰，通常会引起IO信号工作异常，导致系统的测量精度下降，严重的甚至造成元件的损伤。而对于隔离性能不好的系统，还将会导致信号间的相互干扰，造成逻辑数据的跳动变化，使得系统出现死机等问题。在实际应用的PLC控制系统中，由于信号线造成IO模块损坏的现象，相当普遍，需要设计者特别注意这方面的故障。
3 抗干扰措施
根据前文所述的干扰来源分析，可以针对性的对不同来源干扰进行相应的抗干扰措施，一般可以从以下三方面入手。 （1） 对供电电源进行隔离滤波
目前，市场上有许多隔离电源产品，例如隔离变压器、UPS等，使用這类具有隔离效果的供电电源，能够有效的防止来自电网的干扰，由于设备单独供电，也不会受到来自同处于一个供电网络内设备的干扰。其中UPS供电能够有效地提高供电电源的可靠性，隔离性能十分优秀。
（2） 合理布置线缆铺设
在电缆铺设的设计阶段，就要考虑到抗干扰的设计，将强电电缆与弱电电缆分来铺设，高频电缆与低频电缆分开铺设。对于电源电缆与信号电缆之间距离要大于150mm，电源电缆若电流再10A以上，则该距离要大于600mm。对于电容式设备的二次电缆，应该注意使用屏蔽罩屏蔽。对于信号回路，则需要具有唯一的参考地，并且屏蔽有可能受到干扰的场合，根据就近接地原则或者唯一接地原则来防止形成接地环路。对于PLC系统来说，一般输入端的接线不要超过30m，如果环境中电磁干扰较小，可适当进行延长。
（3） 信号隔离
在能够进行光电隔离的部分，尽量采用光电隔离来防止外部信号对工控设备的运行造成影响。对输入信号线进行滤波处理，衰减干扰信号，对于输出信号，采用信号隔离器，避免由于外部设备的动作对工控设备自身造成损害。
4 结论
工控设备处在具有复杂电磁环境的工业现场，清楚的了解设备所处环境中可能存在的干扰因素，有效的采取相应的抗干扰措施，是一个复杂的设计过程。应该综合考虑各种因素，对工控设备进行全面的屏蔽与保护，有效合理地抑制干扰，对保障工业生产的顺利进行具有十分重要的意义。
参考文献
[1] 刘峰，毕于深.仪表控制系统干扰分析与抗干扰措施[J].石油化工高等学校学报，2003，16（4）：65-69.
[2] 董立国.DCS控制设备设计中的抗干扰问题[J].水泥，2005，（4）：51-52.
[3] 马力.浅谈DCS信号干扰的原因及抑制方法[J].华东科技：学术版， 2013， （5）.
[4] 李磊，蔡璐，刘伟.PLC系统信号干扰与防范措施[J].自动化应用，2014， （6）：57-58.
[5] 赵书兴，王红.控制系统干扰故障和信号故障的排除[J].水泥工程， 2014，（3）：67-67.
[6] 徐志江.浅谈DCS系统中的抗干扰措施[J]. 数字化用户，2014，（9）.
[关鍵词]工控设备，干扰，控制信号，抗干扰措施
中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0072-01
引言
随着我国经济的发展和工业自动化水平的不断提高，以PLC和DCS系统等为主的工控设备逐渐在工业现场中得到了广泛的应用和发展，并且规模呈现逐年扩大的趋势[1]。工业现场的自动化仪表设备与控制设备不断增加，种类越来越复杂，对于控制系统信号的准确传输提出了更高的要求[2-3]。特别是在现场设备的调试阶段，工控设备控制信号的干扰问题显得十分重要，同样这也是工厂在生产过程中的一个安全隐患，如何清楚地识别干扰的来源，有效地屏蔽信号干扰，保证信号传输的及时准确，是工业现场急需解决的重要问题。
1 工控设备控制信号
工控设备，指的是工业自动化控制设备，通过电气、机械、软件等部分组合实现对工业现场生产制造过程的自动化控制，常见的工控设备有PLC、DCS、IPC、FCS以及CNC等。工控设备作为工业现场的智能控制中心，通过现场分布的传感器来获知生产过程的数据信息，通过下发控制命令的方式来对现场设备进行控制[4]。
对于生产过程的监控，需要涉及到许多仪表与控制设备，例如：温度传感器、流量表、管道阀、电动机、继电器等，其中传输的信号小到毫伏，大到数十伏，甚至在特殊的工业环境中，还会存在高达数千伏的信号需要工控设备来进行处理[5]。同样，所需要处理的信号再频率角度上看，也存在从直流低频到脉冲高频的各种可能的信号。所以对于工控设备的抗干扰问题，要清楚了解干扰问题的来源，对不同的干扰采取不同的处理方式来予以屏蔽或消除。
2 干扰来源分析
信号干扰也即噪声，是由外界环境叠加到信号电缆的、与原信号无关的点信号，会造成原始控制信号的失真，更为严重的可能会导致设备误操作，造成不可预知的损失。处在工业现场的噪声源，一般产生自电流或电压发生剧烈变化的部位[6]。
干扰的分类原则有很多，例如：按照干扰产生的原因可分为放电噪声、高频噪声等；按照噪声的波形性质可分为持续噪声、突发噪声等，其中较为常用的是按照干扰模式不同来进行分类，一般可以分为共模干扰和差模干扰。共模干扰指的是干扰电压在信号线与信号地线上的幅度相同，主要来源可能是电源、地电位差以及电磁辐射在信号线上感应产生的同向电压。差模干扰是指干扰电压存在与信号线与信号地线之间，主要可能的来源是由空间电磁场在信号线上耦合感应以及由于电路的不平衡导致共模干扰转换而成，差模干扰如果直接被叠加到控制信号上，会直接影响控制信号的控制精度，甚至可能造成元件的损坏。工控设备中会不同程度的收到上述两种类型的干扰影响，差模干扰会直接对控制系统的性能造成影响，那么弄清楚这些干扰的主要来源至关重要。
2.1 空间辐射干扰
空间辐射干扰主要指的是电台、雷电、高频设备等产生的电磁干扰，此类干扰无法从干扰源入手进行干扰抑制，一般从传播途径上下手，切断或者减弱其对设备造成的影响。处在室外的工控设备，或者有线缆从室外经过时，该设备就有可能会遭受雷击，导致设备损坏。在实际的设计中，可以通过屏蔽、隔离、合理布线和安装防雷装置来进行屏蔽。其中较为容易实现的就是安装防雷装置，这种装置不仅能够泄放由于雷击造成的浪涌电流，而且同时能够限制过电压幅值，能够有效的保护设备免遭雷电损伤。根据不同设备的不同要求，防雷装置也应该采取分级保护的原则。对于PLC系统来说，一般可能直接在其内部产生感应干扰，另外也可能通过PLC的通信线路从而引入干扰。
2.2 供电系统干扰
这种干扰在工业现场较为常见，由于工控设备一般使用电网进行供电，电网电压的波动、同处在一个电网中大功率设备的启停、交直流传动装置造成的谐波干扰，都会使得工控设备受到不同程度的干扰。供电系统一般来自两个方面，一是工控设备自身的供电电源直接影响设备控制信号；二是通过传感器变送器的供电电源或者是与工控设备存在直接电气连接的设备的供电电源等耦合进入。一般由于供电系统造成的干扰，可以通过安装滤波器、采用隔离电源、光电耦合隔离等方式进行处理。一般来说，PLC在使用单相工频电供电时，对电压的要求不高，也能拥有较强的抗干扰能力，而对于可靠性要求比较高的场合，就需要进行屏蔽层隔离变压器等措施，进行滤波。常见的滤波电路如图1所示。
2.3 信号线引入干扰
通过信号线引入的干扰，会导致工控设备运行不稳定，造成IO信号工作异常，从而使得控制信号紊乱，严重时甚至损坏输出，造成无法恢复的系统故障。一般可以通过对输入信号增加滤波模块、抑制输入的感应电动势等方法来进行相应处理。在PLC系统中，这种干扰主要的来源有两种：一是通过前端的变送器供电电源或者一些共用的信号仪表的供电电源的干扰，通常这条途径串入的干扰很容易被忽视；另外，可能信号线会受到空间电磁辐射感应，从而产生干扰，这是往往会造成很严重的干扰。
由信号线引入到PLC系统中的干扰，通常会引起IO信号工作异常，导致系统的测量精度下降，严重的甚至造成元件的损伤。而对于隔离性能不好的系统，还将会导致信号间的相互干扰，造成逻辑数据的跳动变化，使得系统出现死机等问题。在实际应用的PLC控制系统中，由于信号线造成IO模块损坏的现象，相当普遍，需要设计者特别注意这方面的故障。
3 抗干扰措施
根据前文所述的干扰来源分析，可以针对性的对不同来源干扰进行相应的抗干扰措施，一般可以从以下三方面入手。 （1） 对供电电源进行隔离滤波
目前，市场上有许多隔离电源产品，例如隔离变压器、UPS等，使用這类具有隔离效果的供电电源，能够有效的防止来自电网的干扰，由于设备单独供电，也不会受到来自同处于一个供电网络内设备的干扰。其中UPS供电能够有效地提高供电电源的可靠性，隔离性能十分优秀。
（2） 合理布置线缆铺设
在电缆铺设的设计阶段，就要考虑到抗干扰的设计，将强电电缆与弱电电缆分来铺设，高频电缆与低频电缆分开铺设。对于电源电缆与信号电缆之间距离要大于150mm，电源电缆若电流再10A以上，则该距离要大于600mm。对于电容式设备的二次电缆，应该注意使用屏蔽罩屏蔽。对于信号回路，则需要具有唯一的参考地，并且屏蔽有可能受到干扰的场合，根据就近接地原则或者唯一接地原则来防止形成接地环路。对于PLC系统来说，一般输入端的接线不要超过30m，如果环境中电磁干扰较小，可适当进行延长。
（3） 信号隔离
在能够进行光电隔离的部分，尽量采用光电隔离来防止外部信号对工控设备的运行造成影响。对输入信号线进行滤波处理，衰减干扰信号，对于输出信号，采用信号隔离器，避免由于外部设备的动作对工控设备自身造成损害。
4 结论
工控设备处在具有复杂电磁环境的工业现场，清楚的了解设备所处环境中可能存在的干扰因素，有效的采取相应的抗干扰措施，是一个复杂的设计过程。应该综合考虑各种因素，对工控设备进行全面的屏蔽与保护，有效合理地抑制干扰，对保障工业生产的顺利进行具有十分重要的意义。
参考文献
[1] 刘峰，毕于深.仪表控制系统干扰分析与抗干扰措施[J].石油化工高等学校学报，2003，16（4）：65-69.
[2] 董立国.DCS控制设备设计中的抗干扰问题[J].水泥，2005，（4）：51-52.
[3] 马力.浅谈DCS信号干扰的原因及抑制方法[J].华东科技：学术版， 2013， （5）.
[4] 李磊，蔡璐，刘伟.PLC系统信号干扰与防范措施[J].自动化应用，2014， （6）：57-58.
[5] 赵书兴，王红.控制系统干扰故障和信号故障的排除[J].水泥工程， 2014，（3）：67-67.
[6] 徐志江.浅谈DCS系统中的抗干扰措施[J]. 数字化用户，2014，（9）.