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【摘要】生产过程监视和控制系统要用到多种自动化仪表、计算机及相应的执行机构。设备仪表间可能引入各种干扰，给控制系统稳定、可靠的运行带来威胁。针对这种情况，本人先从干扰源着手分析，并针对干扰产生的原因提出应采取的相应措施，以不断提高控制系统的抗干扰能力。
【关键词】工业现场；信号干扰；信号隔离；接地
1.工业现场系统信号干扰的来源
1．1地环流干扰
在工业现场中，仪器设备根据要求需要接地，但是由于仪表与设备之间的参考点之间存在电势差（即各设备的共地点不同），因而形成“地环流”、“接地回路”问题。当环流很大时，会出现很高的共模噪声电压，并通过分布参数耦合到信号线或直接连接到电平信号线，将产生很大的串模干扰。
1.2自然干扰
雷电是主要的自然干扰源，其干扰可以传输到数千公里之外。宇宙噪声是电离辐射产生的，在一天中不断的变化。太阳噪声则随着太阳活动情况剧烈变化。自然界噪声主要会对通信造成干扰，而雷电能量尖峰脉冲可以对很多设备造成损坏。
1.3人为干扰
电磁干扰产生的根本原因是导体中的电压和电流的变化，即较大的du/dt或di/dt能够使导体产生电磁波辐射。一方面可以利用这一特点实现特定功能，例如无线通信、雷达或其他功能；另一方面，电子设备在工作时，由于导体的du/dt或di/dt会产生电磁辐射。工厂企业在生产过程中经常会有一些大型设备（电机、变频器）频繁开关，这也会造成一些容性、感性的干扰，影响仪器仪表正常显示或采集。数字脉冲电路也是一种典型的干扰源。随着电子技术的广泛应用，电磁污染情况会越来越严重。
1.4内部干扰
主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。
2.常见的抗干扰措施
干扰的三要素是干扰源、敏感源和耦合路径。三个要素缺少一个，电磁兼容问题就不会存在。因此要从这三个要素入手，找出最方便的解决办法。一般来说，干扰源和敏感源是没有办法解决的，通常从耦合路径想办法。
2.1滤波
滤波是利用滤波器来抑制传导干扰，一般用于抑制低频或中频干扰，抑制的频率可达300MHz。滤波器是由电阻、电感和电容构成的一种网络，这种网络只允许某些频率通过，而阻止其他频率通过以达到抑制电磁干扰的目的。常用的滤波器有T型、π型、L型、C型、电容低通和电感低通滤波器等。在采用滤波方法抑制传导干扰时，要了解干扰源的频谱、干扰源在频带中的分布情况、干扰波的幅值等，可以通过干扰仪器来检测，有针对性地选择或设计滤波器。
2．2屏蔽
屏蔽的作用是限制内部的电磁能量越出某一区域和防止外来的能量进入某一区域。一般常用于限制、隔离和衰减辐射干扰。屏蔽的实质是由具有良好导电性能的金属材料制成的一个全封闭的壳体。常用的屏蔽技术有：（1）屏蔽体单端接地，有时也称为静电屏蔽。（2）当干扰电场很强而电路灵敏度又高时，可采用双层屏蔽。注意：内外屏蔽层之间只能一点连接，且要加滤波电路，两层之间距离应尽可能大。（3）传输线用电缆屏蔽可采用编织、包扎、金属皮三种方式。编织电缆柔性好、易弯曲、寿命长、直流电阻小，在低频应用较好；包扎电缆由螺线组成，适合在视频使用，缺点是有电感；金属屏蔽电缆外加料层，隔离性强、作用距离长、柔性小，适用于射频。它们几种也可以组合。（4）为防止空间电磁波对高灵敏度接收调和的干扰，可采用金属网屏蔽室。
在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层，以便将低频干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽体内，防止其干扰作用。在干扰严重的地方，常使用复合屏蔽电缆，其最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，内层是高磁导率、低饱和的铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以便一步步地消耗干扰磁场的能量。在工业中常用的办法之一是将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，以达到双重屏蔽的目的。低频磁屏蔽主要用于防止电感性干扰。
2.3信号隔离
对于模拟量输入输出(AI／AO)回路，要防止从现场来的强电窜入隔离卡件，以及就地设备与DCS系统不共地可能产生的电势差，重要回路应该采取信号隔离器，对于数字量输入输出(DI/DO)回路，常用的解决方法就是对DI/DO信号采用继电器隔离。比如对一个马达控制开关反馈输入回路，现场的常开接点闭合时，继电器线圈带电，输出接点闭合，接点信号引入开关量采集卡件。这样强电就不会窜人卡件的信号回路，发生故障时，也主要检修隔离的外回路。采用继电器进行信号隔离的缺点是，需要给外回路添加供电回路；采用电磁隔离和光电隔离技术的开关量隔离器，可以减少为外回路供电的工作量。
2.4接地
在工业控制系统中，处理好接地对系统稳定性至关重要，严格地讲接大地最好，一般是电源地、器件地、电路地及机壳地等连接在一起，作为公共地。一般来讲，交流接地应通过电容耦合，退耦电路应在滤波处就近接地。通常在工业控制系统中至少要有三种分开的地线通过一点接地。一条是低电平电路地线(即信号地线)，包括数字地、模拟地、信号地和直流地等；一条是噪声地线，即继电器、电动机、高功率电路的地线；另外一条是机壳接地点，专供机械外壳、机身、机架、底盘使用，此地线应该和交流电源的地线相接。若设备使用交流电源供电时，则交流电源地线应和保护地线相连。使用这种接地方式，可以避免因公共地线各点电位不均所产生的干扰。
2.5系统电源
系统电源应该有冗余，各路配电模件应该有独立的截峰二极管(过压)、自动断路器(过流)等保护。供电系统最好采用隔离变压器，使系统接地点和动力强电系统接地点独立。为避免波动，工业现场系统供电要尽量来自负荷变化小的电网上。要严格防止强电通过端子排线路窜入DC24V供电回路，并定期检查机柜电源系统是否正常、供电电压是否在规定的范围内、系统接地是否可靠及良好、线路绝缘是否合格、停和送电是否按要求程序执行。通过以上工作，这方面的风险就可以有效避免。
2.6电缆敷设
强电电缆与弱电电缆应分开敷设，电源电压220V以上、电流10A以下的电源电缆和信号电缆之间的距离要大于150mm，电源电压220V以下、电流10A以上的电源电缆与信号电缆之间的距离应该大于600mm。若只能放在同一桥架内，之间要装隔离板。热工电缆不可放在高压电场内。对于电容式设备的二次电缆，比如电容式电压互感器的二次电缆，施工时要与地靠近平直。在发电机等附近有较强辐射处，要注意应该有铜皮或铝箔等做成密封箱，以起到屏蔽作用，信号回路必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者与控制室唯一接地，防止形成“地环路”。
2.7防静电和避雷措施
进入控制室和电子室，要穿防静电工作服，触摸模块时，必须带静电释放腕套。检修中，从机架上拆下的卡件要放在接地良好的防静电毡上，不能随意摆放。要采取综合的防雷措施，尤其是DCS系统不能和电气及防雷接地联网，并且其间距要满足要求。
3.结束语
本人提出的信号干扰问题是工业现场控制系统中经常遇到的问题，也是最令广大工程技术人员头疼的问题之一。这个问题也是造成现场控制系统不能正常工作的主要原因之一，解决好这个问题，将可以显著提高设备的效率。■
【参考文献】
［１］韩天行，李秦.继电保护及设备的电磁兼容技术和电磁干扰的抑制方法[J].继电器，2000（11）.
［２］黃春艳，施可登.仪控系统信号干扰和卡件安全问题浅析与防范[J].工业控制计算机，2004，17（1）：51-55.
【关键词】工业现场；信号干扰；信号隔离；接地
1.工业现场系统信号干扰的来源
1．1地环流干扰
在工业现场中，仪器设备根据要求需要接地，但是由于仪表与设备之间的参考点之间存在电势差（即各设备的共地点不同），因而形成“地环流”、“接地回路”问题。当环流很大时，会出现很高的共模噪声电压，并通过分布参数耦合到信号线或直接连接到电平信号线，将产生很大的串模干扰。
1.2自然干扰
雷电是主要的自然干扰源，其干扰可以传输到数千公里之外。宇宙噪声是电离辐射产生的，在一天中不断的变化。太阳噪声则随着太阳活动情况剧烈变化。自然界噪声主要会对通信造成干扰，而雷电能量尖峰脉冲可以对很多设备造成损坏。
1.3人为干扰
电磁干扰产生的根本原因是导体中的电压和电流的变化，即较大的du/dt或di/dt能够使导体产生电磁波辐射。一方面可以利用这一特点实现特定功能，例如无线通信、雷达或其他功能；另一方面，电子设备在工作时，由于导体的du/dt或di/dt会产生电磁辐射。工厂企业在生产过程中经常会有一些大型设备（电机、变频器）频繁开关，这也会造成一些容性、感性的干扰，影响仪器仪表正常显示或采集。数字脉冲电路也是一种典型的干扰源。随着电子技术的广泛应用，电磁污染情况会越来越严重。
1.4内部干扰
主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。
2.常见的抗干扰措施
干扰的三要素是干扰源、敏感源和耦合路径。三个要素缺少一个，电磁兼容问题就不会存在。因此要从这三个要素入手，找出最方便的解决办法。一般来说，干扰源和敏感源是没有办法解决的，通常从耦合路径想办法。
2.1滤波
滤波是利用滤波器来抑制传导干扰，一般用于抑制低频或中频干扰，抑制的频率可达300MHz。滤波器是由电阻、电感和电容构成的一种网络，这种网络只允许某些频率通过，而阻止其他频率通过以达到抑制电磁干扰的目的。常用的滤波器有T型、π型、L型、C型、电容低通和电感低通滤波器等。在采用滤波方法抑制传导干扰时，要了解干扰源的频谱、干扰源在频带中的分布情况、干扰波的幅值等，可以通过干扰仪器来检测，有针对性地选择或设计滤波器。
2．2屏蔽
屏蔽的作用是限制内部的电磁能量越出某一区域和防止外来的能量进入某一区域。一般常用于限制、隔离和衰减辐射干扰。屏蔽的实质是由具有良好导电性能的金属材料制成的一个全封闭的壳体。常用的屏蔽技术有：（1）屏蔽体单端接地，有时也称为静电屏蔽。（2）当干扰电场很强而电路灵敏度又高时，可采用双层屏蔽。注意：内外屏蔽层之间只能一点连接，且要加滤波电路，两层之间距离应尽可能大。（3）传输线用电缆屏蔽可采用编织、包扎、金属皮三种方式。编织电缆柔性好、易弯曲、寿命长、直流电阻小，在低频应用较好；包扎电缆由螺线组成，适合在视频使用，缺点是有电感；金属屏蔽电缆外加料层，隔离性强、作用距离长、柔性小，适用于射频。它们几种也可以组合。（4）为防止空间电磁波对高灵敏度接收调和的干扰，可采用金属网屏蔽室。
在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层，以便将低频干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽体内，防止其干扰作用。在干扰严重的地方，常使用复合屏蔽电缆，其最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，内层是高磁导率、低饱和的铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以便一步步地消耗干扰磁场的能量。在工业中常用的办法之一是将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，以达到双重屏蔽的目的。低频磁屏蔽主要用于防止电感性干扰。
2.3信号隔离
对于模拟量输入输出(AI／AO)回路，要防止从现场来的强电窜入隔离卡件，以及就地设备与DCS系统不共地可能产生的电势差，重要回路应该采取信号隔离器，对于数字量输入输出(DI/DO)回路，常用的解决方法就是对DI/DO信号采用继电器隔离。比如对一个马达控制开关反馈输入回路，现场的常开接点闭合时，继电器线圈带电，输出接点闭合，接点信号引入开关量采集卡件。这样强电就不会窜人卡件的信号回路，发生故障时，也主要检修隔离的外回路。采用继电器进行信号隔离的缺点是，需要给外回路添加供电回路；采用电磁隔离和光电隔离技术的开关量隔离器，可以减少为外回路供电的工作量。
2.4接地
在工业控制系统中，处理好接地对系统稳定性至关重要，严格地讲接大地最好，一般是电源地、器件地、电路地及机壳地等连接在一起，作为公共地。一般来讲，交流接地应通过电容耦合，退耦电路应在滤波处就近接地。通常在工业控制系统中至少要有三种分开的地线通过一点接地。一条是低电平电路地线(即信号地线)，包括数字地、模拟地、信号地和直流地等；一条是噪声地线，即继电器、电动机、高功率电路的地线；另外一条是机壳接地点，专供机械外壳、机身、机架、底盘使用，此地线应该和交流电源的地线相接。若设备使用交流电源供电时，则交流电源地线应和保护地线相连。使用这种接地方式，可以避免因公共地线各点电位不均所产生的干扰。
2.5系统电源
系统电源应该有冗余，各路配电模件应该有独立的截峰二极管(过压)、自动断路器(过流)等保护。供电系统最好采用隔离变压器，使系统接地点和动力强电系统接地点独立。为避免波动，工业现场系统供电要尽量来自负荷变化小的电网上。要严格防止强电通过端子排线路窜入DC24V供电回路，并定期检查机柜电源系统是否正常、供电电压是否在规定的范围内、系统接地是否可靠及良好、线路绝缘是否合格、停和送电是否按要求程序执行。通过以上工作，这方面的风险就可以有效避免。
2.6电缆敷设
强电电缆与弱电电缆应分开敷设，电源电压220V以上、电流10A以下的电源电缆和信号电缆之间的距离要大于150mm，电源电压220V以下、电流10A以上的电源电缆与信号电缆之间的距离应该大于600mm。若只能放在同一桥架内，之间要装隔离板。热工电缆不可放在高压电场内。对于电容式设备的二次电缆，比如电容式电压互感器的二次电缆，施工时要与地靠近平直。在发电机等附近有较强辐射处，要注意应该有铜皮或铝箔等做成密封箱，以起到屏蔽作用，信号回路必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者与控制室唯一接地，防止形成“地环路”。
2.7防静电和避雷措施
进入控制室和电子室，要穿防静电工作服，触摸模块时，必须带静电释放腕套。检修中，从机架上拆下的卡件要放在接地良好的防静电毡上，不能随意摆放。要采取综合的防雷措施，尤其是DCS系统不能和电气及防雷接地联网，并且其间距要满足要求。
3.结束语
本人提出的信号干扰问题是工业现场控制系统中经常遇到的问题，也是最令广大工程技术人员头疼的问题之一。这个问题也是造成现场控制系统不能正常工作的主要原因之一，解决好这个问题，将可以显著提高设备的效率。■
【参考文献】
［１］韩天行，李秦.继电保护及设备的电磁兼容技术和电磁干扰的抑制方法[J].继电器，2000（11）.
［２］黃春艳，施可登.仪控系统信号干扰和卡件安全问题浅析与防范[J].工业控制计算机，2004，17（1）：51-55.