發(fā)電廠控制系統(tǒng)抗干擾問題研究

　　1、概述
　　
　　隨著發(fā)電廠控制技術的不斷發(fā)展，目前分散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制系統(tǒng)（PLC）、現(xiàn)場總線（FCS）技術在發(fā)電廠生產過程控制中得到廣泛的應用。控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到發(fā)電企業(yè)的安全生產和經濟運行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關系到整個系統(tǒng)可靠運行的關鍵。自動化系統(tǒng)中所使用的各種類型控制設備，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產現(xiàn)場和各電機設備上，它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求生產廠家提高設備的抗干擾能力;另一方面，要求工程設計、安裝施工和使用維護中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能
　　
　　2、干擾源對系統(tǒng)的干擾
　　
　　2.1干擾源及干擾分類
　　
　　影響控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設備的干擾源一樣，大都產生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源。
　　
　　干擾類型通常按干擾產生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質的不同劃分。其中：按噪聲產生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等;按噪聲的波形、性質不同，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等;按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電室，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因），這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓，這種直接疊加在信號上，直接影響測量與控制精度，現(xiàn)在解決共模、差模干擾比較通用省事的放法是在原電路上加信號隔離器，可非常有效解決。
　　
　　2.2控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源
　　
　　2.2.1來自空間的輻射干擾
　　
　　空間的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網絡、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。若系統(tǒng)置于所射頻場內，就回收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對控制設備內部的輻射，由電路感應產生干擾;而是對控制設備通信網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設備布置及設備所產生的電磁場大小，特別是頻率有關，一般通過設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。
　　
　　2.2.2來自系統(tǒng)外接線的干擾
　　
　　主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導干擾。這種干擾在發(fā)電現(xiàn)場較嚴重。因為發(fā)電廠是強電場和強電磁場密集地方。
　　
　　2.2.2.1來自電源的干擾
　　
　　實踐證明，因電源引入的干擾造成控制系統(tǒng)故障的情況很多，由于控制系統(tǒng)的供電大都來自電廠的供電網絡，其覆蓋全廠，電網內部的變化，如開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態(tài)沖擊等，都通過配電線路傳到電源。控制電源通常采用隔離電源，但其機構及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，隔離是不可能的。
　　
　　2.2.2.2來自信號線引入的干擾
　　
　　與控制系統(tǒng)連接的各類信號（信號線和控制指令線）傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電源串入的電網干擾，這往往被忽視;二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機。控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當嚴重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。所以檢測端信號加隔離非常重要（例：北京平和PH系列隔離器產品）,既可以保證信號傳輸精度，還可以保護系統(tǒng)I/O模件不被損壞。
　　
　　2.2.2.3來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾
　　
　　接地是提高電子設備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾;而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使系統(tǒng)將無法正常工作。
　　
　　控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。
　　
　　例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時，地線電流將更大。
　　
　　此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內有會出現(xiàn)感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產生的地環(huán)流就可能在地線上產生不等電位分布，影響邏輯電路和模擬電路的正常工作。邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響邏輯運算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。（例北京平和隔離器也可有效解決信號共地問題）
　　
　　2.3來自系統(tǒng)內部的干擾
　　
　　主要由系統(tǒng)內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于制造廠對系統(tǒng)內部進行電磁兼容設計的內容，比較復雜，作為應用部門是無法改變，可不必過多考慮，但要選擇具有較多應用實績或經過考驗的系統(tǒng)
　　
　　3、工程實施中主要抗干擾措施
　　
　　為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內外電磁干擾，必須從設計階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源;切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑;提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點就是抑制電磁干擾的基本原則。
　　
　　控制系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程，要求制造單位設計生產出具有較強抗干擾能力的產品，且有賴于使用部門在工程設計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，并結合具有情況進行綜合設計，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運行可靠性。主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種如果抑制措施。主要內容包括：對系統(tǒng)及外引線進行屏蔽以防空間輻射電磁干擾;對外引線進行加裝隔離器，特別是原理動力電纜，分層布置，以防通過外引線引入傳導電磁干擾;正確設計接地點和接地裝置，完善接地系統(tǒng)。另外還必須利用軟件手段，進一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。
　　
　　3.1采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網引入的干擾
　　
　　在控制系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。電網干擾串入控制系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源（如CPU電源、I/O電源等）、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的。現(xiàn)在，對于PLC系統(tǒng)供電的電源，一般都采用隔離性能較好電源，而對于變送器供電的電源和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源，并沒受到足夠的重視，雖然采取了一定的隔離措施，但普遍還不夠，主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大，抑制干擾能力差，經電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以，對于變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容小、抑制帶（如:使用北京平和公司隔離配電器），可以減少PLC系統(tǒng)的干擾。此外，位保證電網饋點不中斷，可采用在線式不間斷供電電源（UPS）供電，提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強的干擾隔離性能，是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源。
　　
　　3.2電纜敷設
　　
　　為了減少動力電纜輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜。筆者在某工程中，采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，從而降低了動力線生產的電磁干擾，該工程投產后取得了滿意的效果。不同類型的信號及控制電纜分別由不同電纜傳輸，信號電纜應按傳輸信號種類與動力電纜分層敖設，嚴禁用同一電纜的不同導線同時傳送動力電源和信號，避免信號線與動力電纜靠近平行敖設，以減少電磁干擾。另外對于信號電纜及控制電纜應采用屏蔽電纜
　　
　　3.3硬件濾波及軟件抗干擾措施
　　
　　信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾;在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。由于電磁干擾的復雜性，要根本消除迎接干擾影響是不可能的，因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設計和組態(tài)時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。常用的一些措施：數(shù)字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾;定時校正參考點電位，并采用動態(tài)零點，可有效防止電位漂移;采用信息冗余技術，設計相應的軟件標志位;采用間接跳轉，設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。
　　
　　4、正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)
　　
　　發(fā)電廠控制系統(tǒng)的接地對控制系統(tǒng)抗干擾尤為重要，接地方式的好壞將直接影響控制系統(tǒng)的性能。接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。
　　
　　4.1PLC控制系統(tǒng)接地：
　　
　　PLC控制系統(tǒng)它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯(lián)一點接地方式。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應采用串聯(lián)一點接地方式。