工业控制系统电磁干扰浅析

工业控制系统电磁干扰浅析1工业控制系统电磁干扰浅析关键词EMCPLC干扰接地系统前言随着工业控制领域的发展，工控系统在工业企业的生产系统中起到越来越关键的作用。而工业控制系统中普遍存在的电磁干扰可能对设备控制及操作产生不可忽略的影响，轻则影响精度，重则损坏设备，影响生产。因此，如何有效地防止电磁干扰成为工业控制系统设计中一个重要的环节。电磁干扰起因复杂，类型多变，可能起源于系统内部，也可能来自系统外部。本文就工控系统中普遍存在的各种电磁干扰的类型、起因、后果进行初步分析。另外，由于在工控系统中PLC已经得到了越来越广泛的应用，而PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业安全生产和经济运行，其抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。因此，本文也对PLC系统如何提高抗干扰能力做了一些探讨，同时结合实际工程应用，针对网络总线、PLC机柜、电缆布线等各环节提出一些在工程设计施工中行之有效的抗干扰措施。正文一、电磁干扰综述及原理分析1．电磁干扰的感应原理在一个干扰变量通过耦合从干扰源传送到敏感设备时，就会造成对设备的电磁干扰。如下图所示：1．1干扰源干扰源是干扰变量的起源。所有进行电磁能传输的设备都可能成为干扰源。干扰源可能位于系统中(系统内部)，也可能存在于系统之外(系统外部)。1．2耦合干扰变量到敏感设备的耦合过程可以通过多种方式来实现：a)电流的方式：通过正常的电路进行耦合；b)电容的方式：通过电场进行耦合；c)电感的方式：通过磁场进行耦合；d)电磁波或者辐射感应：通过电磁场进行耦合；1．3敏感设备敏感设备包括功能会受干扰变量干扰的所有设备和部件。1．4干扰变量干扰变量(干扰)可能是电压，电流和电磁场。它们由电磁活动引起，具有很大的振幅和频率范围，它们的强度，以及给敏感设备带来的功能损害的时间和程度，其范围也非常广泛。干扰源耦合敏感设备干扰变量干扰变量工业控制系统电磁干扰浅析22．电磁干扰源的分类根据形成原因、传导介质以及频率特性等性质，干扰源可按以下方式分类：2．1根据形成原因分类：可分为自然形成和工程技术因素形成：自然干扰源包括：雷击、大气、静电放电等。技术干扰源包括：大电流突变的可控硅控制器、开启或者关闭高功率设备、高频发生器、振荡器等。2．2根据频率范围分类：可分为窄频和宽频干扰源：窄频干扰源带有离散频率的信号，包括：无线电设备、雷达站、工业高频发生器、微波设备、动力电流、焊接机械、超声波设备、功率转换电路等，这些设备能产生较强的电磁场，尤其是在周围区域。而宽带干扰源具有传导和辐射干扰变量，在电子自动化控制系统中影响较大，主要包括：电机、断路器、半导体控制电路、开关设备(继电器，接触器)、静电放电、大气放电、电晕放电等。2．3根据耦合方式分类：可分为传导干扰源和辐射干扰源、电源干扰源：传导干扰源主要通过金属导体(金属线或者导电结构)，变压器，线圈、电容器等进行传播，辐射干扰源主要通过电磁波形式传播。但是，由于导体在工作的时候也可视为有效的天线设备，所以传导干扰源和辐射干扰源之间也可以相互转换。另外，由于干扰源中，很多都是和干线电源相连，它们各自的干扰变量会发送到电源网络，并从那里传递出去。所以说，电源网络自身也会成为连续和间歇干扰信号的来源。3．干扰信号的分类干扰变量，以及由干扰变量产生的干扰信号，涵盖的频率和振幅范围很广。它们所展现出来的信号曲线千姿百态，所属的类别也不尽相同。如果从时间的角度进行考虑，那么可以分为周期性的变量和非周期性的变量。3．1周期性的干扰信号周期性的干扰由正弦信号组成。在工业设备中，能够引起周期性干扰的有：交流和多相电流部件，整流器，荧光灯，组合电路部件以及电脑等。它们会使电源电压，电压波动，压降发生持续的失真，还会破坏多相电流源的对称性。周期性干扰波形如下图所示：�3．2非周期性干扰信号非周期性干扰指的是短暂的干扰脉冲(瞬态信号)。比如电气回路开关过程中产生的过电压可能会高达10千伏，其上升时间从纳秒到秒不等，其频率可高达100兆赫兹。在工控工业控制系统电磁干扰浅析3网络或是数字系统中，瞬态脉冲危害性很大，因为它们会对控制器（PLC或DCS）存储区进行误置位和清除，从而破坏系统功能。在工业控制系统中，高压和低压开关设备正常的开关、短路、电涌、雷击放电等均会导致瞬态信号的非周期性干扰。非周期性干扰的波形如下图所示：3．3共模干扰和差模干扰电磁干扰按其干扰模式不同，可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是指干扰信号同时被耦合到输出和返回回路中，使其对地电位差增高；主要由电网串入、电位差及空间电磁辐射信号线上感应共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压较大，特别是采用隔离性能差配电器供电室，变送器输出信号共模电压普遍较高，有可高达130V以上。差模干扰是指作用于信号两极间干扰电压，主要由空间电磁场信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成电压，这种让直接叠加信号上，直接影响测量与控制精度。共模干扰电压在不对称电路中可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。4．干扰耦合干扰可以通过不同的方式耦合到电气设备和散播开来，比如可以通过一根导线(定向的)或者通过空间(非定向的/辐射的)来进行传输，并且干扰信号经常会以定向干扰和辐射干扰的形式同时出现，进一步耦合到输入，输出，电源以及数据线。干扰耦合的主要方式有电流耦合、感性耦合、容性耦合等。下面就几种主要的干扰耦合作简单分析。4．1电流耦合电流耦合属于线路定向耦合。在同一线路上存在不同的电路的时候，会发生这种现象。每当其中一个电路的电流发生改变时，就会在公共线路上产生电压变化，使得各个电路相互影响。电流耦合通常发生在以下电路中：a)不同电路到同一电源的耦合b)在工作电路和接地电路之间的耦合(大地电路耦合)c)通过一个公共参考导体系统来使不同的电路进行耦合下图所示为具有一个公共参考导体的两个电路中存在的电流耦合。工业控制系统电磁干扰浅析4U1：电路1中的电压；U2：电路2中的电压；USt：干扰电压；ZL：来自电路1和电路2的公共线的阻抗当一个电路按如上图所示的方式进行接线时，开启电路1中的接触器会导致公共线阻抗ZL上的压降。这个压降会以干扰信号的形式覆盖电路2中的正常信号。干扰的强度取决于公共导体的阻抗和电流改变的程度。过高的瞬态干扰电流会产生极大的压降，此压降大小取决于电流波动幅度、干扰电压、自感系数、有效电阻等参数。在下图中，表示了线路几何尺寸对线路有效电阻R的影响：R有效电阻，R0直流电阻可以看出，通过采用表面积更大的导体可以降低自感系数及有效电阻，从而降低高频干扰电流的影响。4．2感性耦合感性耦合是一种经由电磁场进行的耦合，在彼此并行的线路之间发生。当其中一条线路中的电流发生变化会引起电磁场的波动，而此电磁场会影响其并行线路，并在其中引起感应电压，从而在并行线路中产生干扰信号。电感性耦合广泛存在于电缆，线束和电缆管道中的并行线路中。下面的电路图给出了电感性耦合的产生方式。由启动较大的负载或者短路而造成的电路1中的电流变化，引发了磁场的波动。工业控制系统电磁干扰浅析5干扰电压的大小取决于两个导体间的感应耦合系数Mk，以及在电源线中的电流变化率di/dt：下图所示为不同导体间距对感应耦合系数的影响：1：电路1；2：电路2h：在同一电流环路中输出线和返回线间的距离（线芯距离）d：在不同电流环路之间的距离(电缆间距)l：线路之间的并行长度为了得知电缆间距对感应电压的影响，下面我们通过实例来计算：假设两根并行电缆，长度为100米，回路的开关电流为100A，电流浪涌的持续时间为10us；此条件下，两根电缆的间距分别在4mm和100mm时的Mk如下：a)紧凑的电缆：h=2mm，d=4mm，此时Mk=80nH/mb)电缆间距为10cm：h=2mm,d=100mm，此时Mk=1.5nH/m干扰电压Ust=Mk*di/dt，计算得出，d=4mm时Ust=80V，而d=10cm时Ust=1.5V，可以看出，把两根电缆之间的距离从4mm增加到10cm，感应电压下降了98%!4．3容性耦合电容性耦合是通过电场进行的耦合。它发生于相邻电路之间，比如在较大的电源线电流和信号线电流之间。在这两个电路之间，如果电位差发生波动，那么就会有电流流过位于它们之间的绝缘介质，比如说空气。彼此相临近的两条线路可以看作是一个电容器的两极，用耦合电容Ck表示。工业控制系统电磁干扰浅析6由电容性耦合所引起的干扰电流Ist，其大小取决于位于两个导体之间的耦合电容Ck，以及电源线上电压变化du/dt所持续的时间。在敏感设备(电路2)中产生的干扰电压取决于：耦合电容CK随着线路之间并行长度的增加而线性增加，与此同时，根据相应的计算方法，耦合电容随着线路之间距离的增加而减小。如下图所示：l：线路之间的并行长度d：线路之间的距离D：电缆直径下面是在电缆直径为1mm情况下的耦合电容数值实例：a)紧凑的电缆：CK约为100pF/mb)电缆间距10cm：CK仅为5pF/m由此可见，与感性耦合干扰电压相似，容性耦合干扰电压也随着电缆间距的增大而大幅降低。不过，值得一提的是，当电缆间距从10cm增加到20cm时，Ck及Mk变化的程度很小，也就是说感应电压Ust也变化很小。即电缆间距在扩大到一定范围后，对电磁干扰的影响程度将降至很小。二、工控系统的抗干扰设计为了保证工控系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，我们必须从设计阶段开始便采取各方面抑制措施，比如：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰传播途径；提高装置和系统抗干扰能力等。在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力产品，尤其是抗外部干扰能力；其次还应了解生产厂给出抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许多大电场强度和多高频率磁场强度环境中工作，除了以其出厂指标为准，也可考查其在类似工作环境中应用实例。工控系统的抗干扰设计主要考虑来自系统外部几种抑制措施。主要内容包括：对控制系统及外部线路进行屏蔽空间辐射电磁干扰；对外部线路进行隔离、滤波，特别是动力电缆和工业控制系统电磁干扰浅析7控制电缆分层布置，防止外部线路引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统等。下面我们详细讨论一些在工程应用中常见的抗干扰设计。1．电缆布线及屏蔽设计电缆用来传输有用的信号。与此同时，它们也可能成为干扰源，或者在接收到干扰信号以后充当干扰信号的传递者。所有耦合形式都可能在电缆中出现。在一个系统中所使用的电缆，根据它们所承载的信号的类型来进行分类。信号的EMC（电磁兼容）性能是至关重要的标准。在工业应用环境中，可以将电缆大体分为三类：1）敏感信号线；2）不敏感信号线，低干扰电位线；3）信号是活性干扰源的线。我们可以将具有不同EMC性能的电缆分开，并把不同种类的电缆分开放置，中间隔开一段距离，同时把不同种类的电缆分开进行屏蔽。有时我们可以通过在电路中制造一个感性耦合，来实现输入导体和返回导体之间的变换，这样一来，就可以抑制干扰信号。在连续性导体环路中的感应电压，其相位变化了180度，从而使得彼此间相互抵消。如下图所示：随着环数的增加，变换的效果变得更为明显。如果能达到30/m的环数，效果就会很不错。在实际工程应用中，我们常用双屏蔽双绞线来达到这样的效果。如果在进行设备的空间安排时，有时因为某些原因，无法将敏感设备和干扰源的距离设置得足够远，就需要进行屏蔽。屏蔽类型有下面几种可用的屏蔽类型：1）电缆屏蔽；2）通过机座屏蔽；3）房间屏蔽；4）使用隔离板进行屏蔽。2．自动化系统中的接地和EMC措施2．1对设备安放位置的考虑我们进行设备安置的时候，必须在车间内确定那些具有不断变化的干扰环境的区域，对这些区域中的设备，要根据它们的敏感度或者受到干扰影响的可能性来进行安置。这些区域范围主要包括以下各项：1）生产车间；2）控制系统机柜；3）上位机操作站。那些用于处理数据采集和控制过程的敏感电缆和设备必须予以屏蔽。高电流设备会通过它们的磁场来发出较强的干扰信号，比如：大功率电机、变压器、高压配电线路等。上位机站应该被安放在单独的屏蔽的房