隨著發(fā)電廠控制技術(shù)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(shù)在發(fā)電廠供應(yīng)過程控制中得到廣泛的應(yīng)用。控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到發(fā)電企業(yè)的安全供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)運行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。自動化系統(tǒng)中所使用的各種類型控制設(shè)備，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在供應(yīng)現(xiàn)場和各電機(jī)設(shè)備上，它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求供應(yīng)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力;另一方面，要求工程設(shè)計、安裝施工和使用維護(hù)中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強(qiáng)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(shè)備的干擾源一樣，大都產(chǎn)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(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。其中：按噪聲產(chǎn)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(zhì)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(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)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(dá) 130V 以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)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(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。若系統(tǒng)置于所射頻場內(nèi)，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(shè)備內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾;而是對控制設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和 PLC 局部屏蔽及高壓 泄放元件進(jìn)行保護(hù)。
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(dǎo)干擾。這種干擾在發(fā)電現(xiàn)場較嚴(yán)重。因為發(fā)電廠是強(qiáng)電場和強(qiáng)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(wǎng)絡(luò)，其覆蓋全廠，電網(wǎng)內(nèi)部的變化，如開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)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(jī)構(gòu)及提供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(wǎng)干擾，這往往被忽視;二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾，這是很嚴(yán)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(yán)重 時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)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(jī)。控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成 I/O 模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)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(chǎn)品),既可以保證信號傳輸精度，還可以保護(hù)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(shè)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(shè)備向外發(fā)出干擾;而錯誤的接地，反而會引入嚴(yán)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(hù)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(dāng)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(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)有會出現(xiàn)感應(yīng)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(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)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(jī)。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測量精度下降，引起對信號測控的嚴(yán)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(nèi)部的干擾
主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)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。這都屬于提供廠對系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門是無法改變，可不必guo多考慮，但要選擇具有較多應(yīng)用實績或經(jīng)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(nèi)外電磁干擾，必須從設(shè)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，要求提供單位設(shè)計供應(yīng)出具有較強(qiáng)抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使用部門在工程設(shè)計、安裝施工和運行維護(hù)中予以全面考慮，并結(jié)合具有情況進(jìn)行綜合設(shè)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(nèi)容包括：對系統(tǒng)及外引線進(jìn)行屏蔽以防空間輻射電磁干擾;對外引線進(jìn)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(dǎo)電磁干擾;正確設(shè)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(jìn)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(wǎng)引入的干擾
在控制系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。電網(wǎng)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(jìn)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(jīng)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(yīng)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(wǎng)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(qiáng)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(shè)
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，從而降低了動力線供應(yīng)的電磁干擾，該工程投產(chǎn)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(yīng)按傳輸信號種類與動力電纜分層敖設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)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(shè)，以減少電磁干擾。另外對于信號電纜及控制電纜應(yīng)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(jī)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(fù)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(shè)計和組態(tài)時，還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)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(shù)，設(shè)計相應(yīng)的軟件標(biāo)志位;采用間接跳轉(zhuǎn)，設(shè)置軟件陷阱等提高軟件結(jié)構(gòu)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。
4.1 PLC 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(yīng)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(yīng)采用串聯(lián)一點接地方式。
用一根大截面銅母線(或絕緣電纜)連接各裝置的柜體中心接地點，然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于 22mm2 的銅導(dǎo)線，總母線使用截面大于 60mm2 的銅排。接地極的接地電阻小于 2?，接地極埋在距建筑物 10 ~ 15m 遠(yuǎn)處，且 PLC 系統(tǒng)接地點必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點相距 10m 以上。信號源接地時，屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地;不接地時，應(yīng)在PLC側(cè)接地;信號線中間有接頭時，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點接地;多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理。選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c接點。在 PLC 控制系統(tǒng)中，具有多種形式的“地”，主要有：
信號地：是輸入端信號元件-傳感器的地
交流地：交流供電電源地 N 線，通常是產(chǎn)生主要噪聲的地方
屏蔽地：一般為防止靜電、磁場感應(yīng)而設(shè)置的外殼或金屬絲網(wǎng)，通過專門的銅導(dǎo)線將其與地相連。
保護(hù)地：一般將機(jī)器設(shè)備外殼或設(shè)備內(nèi)獨立器件的外殼接地，用以保護(hù)人身安全和防護(hù)設(shè)備漏電。
以上幾種情況現(xiàn)場沒有解決好可以選適合自己使用的隔離器產(chǎn)品解決共地干擾問題。
4.2 DCS 系統(tǒng)的接地：計算機(jī)控制系統(tǒng)中的“地”有兩類。其一是設(shè)備的外殼及屏蔽層，通常與大地相連。接地的目的一是避免機(jī)殼帶電而影響人員及設(shè)備的安全，二是保持機(jī)殼及屏蔽層與大地等電位，起到屏蔽外部電磁場干擾的作用。另一類是電源或信號的參考地位。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，即有模擬量信號，又有數(shù)字量信號，還有電源(直流)電壓的地端。這些信號的地終就是直流電源的地。為防止公共阻抗產(chǎn)生的干擾，采用“匯流條分別走線”進(jìn)行處理，即在電路中把模擬地與數(shù)字地分開，采用匯流條分別走線，終在一點把兩個地接在一起。信號的屏蔽層采用單點接地原則，可以防止不同接地點之間的電位差(Ucm)通過屏蔽層形成電流回路，產(chǎn)生干擾。
不同型式的 DCS 系統(tǒng)對接地要求不同，但歸根結(jié)底是滿足“一點接地”的要求。整個接地系統(tǒng)終只有一點接到接地網(wǎng)上，并滿足接地電阻的要求。DCS 系統(tǒng)的接地要求應(yīng)該是確定的、完整周全的，不能為迎合用戶的不同要求而改變。
電廠環(huán)境下，要求 DCS 有較強(qiáng)的抗干擾能力，用戶希望接地方式及接地電阻的要求寬松一些。 但只有嚴(yán)格按廠家要求實施系統(tǒng)接地，才可保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，也方便在某些故障情況下盡早排除不良接地因素。
下面以XX電廠控制系統(tǒng)(Symphony)接地特點為例進(jìn)行分析：
本工程不設(shè)置單獨的 DCS 接地系統(tǒng)，Symphony 系統(tǒng)的過程控制柜之間通過接地電纜串聯(lián)，終點由電源機(jī)柜處單點接到電氣接地網(wǎng)，接地點半徑 5 米內(nèi)無大電流、電壓啟停設(shè)備的接地點，要求整個接地線纜至接地點的電阻小于 5Ω。從電源至分配盤及從分配盤至模件柜的供電電纜應(yīng)使用3芯電纜，分別作為火線、中線和地線，中線與地線在電源出口處短接，并將此短接點使用扁平接地銅纜連接到近的可靠的建筑接地系統(tǒng)上(見注 2)，除此以外中線和地線在其他任何地方都不應(yīng)再短接。使用雙路電源時，兩個電源在同一點接地。控制機(jī)柜接地見下圖：
4.2.1 Symphony 系統(tǒng)中，無論是單元機(jī)組的環(huán)路設(shè)備還是公用系統(tǒng)環(huán)路設(shè)備，其接地均較為簡單。即使其物理位置分散，也不需要單獨的接地網(wǎng)。Symphony 系統(tǒng)的接地系統(tǒng)包括兩部分：一路為交流地(安全地)系統(tǒng)，它為故障和高頻噪聲提供了一個低阻抗的排泄通道，并使設(shè)備外殼保持與地等電位，保證人員不受電器傷害。一路為直流地(信號地)系統(tǒng)，它為數(shù)字式過程控制系統(tǒng)建立一個零參考電位，同時能有效消除高頻噪聲。
4.2.2 接地極使用廠內(nèi)的地網(wǎng)地極，它是與大地良好接觸的導(dǎo)體，通常使用埋入地下的—根或一組 銅棒。SYMPHONY 系統(tǒng)要求接地極的電阻小于 5 歐姆。接地極距建筑物及接地極之間的距離應(yīng)不小于接地極的長度;與建筑地極或其他地極要大于 5 米;距離避雷針地極、大型電力設(shè)備的地極，大型開關(guān)設(shè)備、旋轉(zhuǎn)機(jī)械或其它干擾源應(yīng)大于 10 米。地極上不能連接其它設(shè)備。在嚴(yán)寒地區(qū)，接地極必須延伸到凍土層以下。
4.2.3 連接控制系統(tǒng)與接地極的接地導(dǎo)體使用多芯絕緣銅導(dǎo)線，在 150 米電氣距離內(nèi)，接地線的截面參見相關(guān)要求。用戶應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的具體情況決定。
4.2.4 接地導(dǎo)線與地極不要使用螺栓連接，應(yīng)該采用焊接方式。以避免振動、腐蝕、金屬熱脹冷縮等造成接觸不良。Symphony 系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)柜柜體應(yīng)與金屬安裝底座有可靠的電氣連接(可采用焊接法安裝機(jī)柜或螺栓連接輔以點焊)，金屬安裝底座必須與整個建筑的接地系統(tǒng)有可靠的連接。
4.2.5 SYMPHONY 系統(tǒng)要求采用獨立的 220VAC 供電電源。即當(dāng)采用廠用電源或保安電源供電時，用戶應(yīng)加隔離變壓器。在分配盤的電源進(jìn)線處，接地線與中性線須可靠短接，接地線與火線、中線同時布線接至 SYMPHONY 系統(tǒng)用電設(shè)備的接線端子。
4.2.6 對于沒有電源輸入的設(shè)備，如 I/O 端子柜，應(yīng)用采絕緣銅導(dǎo)線將機(jī)柜接地螺栓與其供源 的相鄰模件柜的接地螺栓相連。機(jī)柜安裝底座應(yīng)與機(jī)柜等電位。
4.2.7 交/直流接地可共用一個接地極，當(dāng)采用二個接地極時，其間的電阻應(yīng)小于 l 歐姆。各控制柜的交流地、直流地分別以星形接地方式匯集，后接入同一地網(wǎng)(本工程為全廠電氣接地網(wǎng))。接地電阻要求小于5 歐姆。
4.2.8 在機(jī)柜底部有直流公共排以供連接直流接地，此直流公共排在機(jī)柜內(nèi)與交流地和機(jī)柜是隔離的。以與直流接地極相連的接地排為中心，星型連接各個模件柜的直流公共排。各端子柜與其相應(yīng)的模件柜也用星型接法連接。
4.2.9 在有遠(yuǎn)程布置的機(jī)柜的系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程機(jī)柜可使用自己的接地極，但接地要求是一致的，該接地極應(yīng)與 DCS 主接地極在同一個地網(wǎng)上。
4.2.10 統(tǒng)外部信號接線和屏蔽線與接地有關(guān)。屏蔽線應(yīng)該只在單端接地，在機(jī)柜側(cè)接地時接至機(jī)柜兩側(cè)的屏蔽棒上，該屏蔽棒與交流安全地連接在一起。
5 總結(jié)