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1、 1 DCS 系统过程通道的抗干扰措施 于剑宇 史玉伟 （通辽发电总厂） 【摘 要】本文就 DCS 系统过程通道的干扰来源以及各种干扰的性质作了简要的介绍，并针对各种干扰对 DCS 系统的影响，介绍了如何防止各种干扰对 DCS 系统过程通道所产生的影响。 【关键词】过程通道 扰源 数字滤波 计算机控制系统的主要功能是对生产过程进行监视、控制和管理。而要实现这些功能，就必须 及时从现场的生产过程中获得实时的信息，并且把这些信息进行适当的处理和运算，以运行人员易 于接受的形式表达出来， 或者按照一定的控制规律， 产生一定的控制作用， 去控制生产过程。 从 DCS 系统的过程通道中可以获得反映生产过
2、程情况的数字量信号，但是在这些数字信号之中，有一些常 常包含一些干扰信号的成分，与被测量信号之间有非线性的关系，因此，要对这些数字信号进行一 些选择、加工和处理，以保证所测量的信号与生产过程的实际参数尽量保持一致。 在火力发电厂之中，被控对象和一些现场的被测参数分布在现场的各个部位，它们与计算机和 控制系统之间的距离相对而言是比较远的，所以信号线和一些控制线路是比较长距离的。另外，现 场的一些大功率用电设备以及一些高压开关设备等，它们在工作时特别是在启停过程中，会产生强 烈的电磁干扰，这些干扰可能会导致 DCS 系统中用于控制的上位机不能正常工作，甚至可能会造成 DCS 系统误动作事故发生，
3、针对这种实际生产情况， 也就要求我们必须在 DCS 系统的过程通道中采 取一定的抗干扰措施，以保证计算机控制系统的安全稳定运行。 1 DCS 系统过程通道的干扰来源及分类 1） DCS 系统的干扰来源主要分为内部干扰和外部干扰两类， 内部干扰是由于构成设备或者 DCS 系统板件的元器件本身质量不过关以及工艺结构不和理等因素造成的，这类干扰已经随着电子技术 的进步以及元器件质量的提高，已经逐渐趋于完善。而另一些外部干扰，如现场电磁波、电流、电 压以及环境因素如雷电等一些外部因素的影响仍然是计算机控制系统急需解决的问题。 2）按照干扰对计算机控制系统输入端的作用方式，大致上可以把它们分为正态干扰和
4、共态干扰 两部分。 （1）正态干扰 正态干扰是指叠加在被测 信号上的干扰，通常被测信号是缓慢变化的直流信号，比如变送 器的输出直流电流信号等，正态干扰是与被测信号叠加在一起进入计算机的，所以又称为串联干 扰或者串模干扰，大致波形如下图（1）所示，图中： PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 2 Us 为被测对象 Un 为干扰信号 Ui 为计算机实际采样到的输入信号 由图中可以看出，Ui 的波形理想状态下应该与 Us 一致，但是由于干扰源 Un 的影响，就变成了 如图所示的波形，这样就有可能引起控制系统的误判断从而作出错误的处理而威胁到机组的安全稳 定运行。 （2）
5、共态干扰 共态干扰是指在微机控制系统中的两个输入端上共有的干扰，这种干扰电压可能是直流电压， 也可能是交流电压，其幅值可以达到几十伏甚至上百伏，共态干扰产生的原因具体如下：由于控制 系统所需要监视和控制的参数很多， 而且这些参数分布在生产现场的各个部位， 而被测信号 Us 的参 考接地点 A 和计算机系统输入端的参考接地端 B 之间往往有一定的电位差 Ucm， 如右图 （2） 所示， 所以计算机控制系统的两个输入端与计算机系统的参考接地点之间分别有 Us+Ucm 和 Ucm 两个电 压，很显然，Ucm 是输入端上共有的干扰电压，所以称其。 为共态干扰电压 A B （图 2） 2 DCS 控制系
6、统过程通道干扰的抑制 Us A/D Ucm 上位机 （图 1） US Un Ui PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 3 2.1 正态干扰的抑制 正态干扰的抑制主要是利用干扰信号与实际测量值之间的较大差别来实现的，一般的可以有如 下几种防范措施： （1）通常情况下，正态干扰信号的频率往往高于被测信号的频率，利用这一特点可以采用低通 滤波器来阻止高频正态干扰信号进入模拟量输入通道，如图（3）所示的二级阻容滤波网络可以建立 使频率为 50Hz 的正态干扰信号衰减到原来的 1/600。 （2）当尖峰型正态干扰成为主要干扰时，采用双积分示 A/D 转换器来削弱干扰的影响
7、， 因为此类转换器是对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以对尖峰干扰具有较强的抑 制能力，如果积分周期正好等于正态干扰的周期或者其整数倍，则此 A/D 转换器对正态干扰就具有 更好的抑制作用。 （3） 采用电流传输技术， 在接收端用电阻将电流信号转换成电压信号， 也可以减少干扰的影响。 （4）当正态干扰主要来自电磁感应的情况下，则被测信号应尽可能早一些进入前置放大，从而 提高回路中的信号/噪声比，以减少干扰信号对过程通道所产生的影响，比如我厂的各机组串轴、涨 差等信号的测量方式就是采用就地安装前置器，这样就能很好的保证信号质量； （5）如果正态干扰的变化速度与被测信号相当，再这种情况下则
8、只能是设法消除干扰源，或者 是采用良好的屏蔽措施，比如信号线采用带屏蔽的双绞线或者同轴电缆，得以提高回路信号的品质。 （6）如果在硬件上无法消除掉正态干扰信号，则在控制系统中用软件进行技术处理，比如 H 3000 系统中用宏命令 DG2 对模拟量的输入信号也可以达到良好的除扰效果。 2.2 共态干扰的抑制 共态干扰是常见的干扰，克服共态干扰是对控制系统的关键问题，但是要完全消除共态干扰电 压几乎是不可能的，只有设法让共态干扰信号尽量不转换成正态干扰，也就是说尽量削弱它所造成 的影响，下面就削弱共态干扰信号提出几点看法： 1）利用双端输入作为前置放大器，以提高输入电路的共模抑制比，增强抗干扰的能
9、力。 2）利用变压器或者光电偶合器把模拟电路部分接地点与数字部分的接地点分开，使它们在电路 上无任何联系，即如图（2）中的 Ua 与 Ub 之间的电压 Ucm断开而不能形成回路，进而得以抑制干 扰。 3） 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共态干扰， 这种方法是利用屏蔽输入信号的模拟地浮空， 从而达到抑制共态干扰的措施，现在的 H3000 系统的信号线与控制线均采用此方式进行抑制共态 干扰。 3 电源的抗干扰措施 计算机控制系统中有许多干扰是来自电源的，所以要求我们在电源上采取一定的抗干扰措施， PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 4 以满足系统的要求。 （1）在
10、交流电源进线处采用高频滤波网络，使一些高频干扰信号不能进入电源变压器。 （2）采用变阻二极管吸收瞬变干扰和脉冲干扰。 （3）将电源变压器采用原、副边之间加有静电屏蔽层的隔离变压器。 以上三种方法的抗干扰措施如下图（3） ： （图 3） （4）采用高频调制逆变电源，对消除高频干扰有明显的效果，如采用 UPS 电源系统 （5）采用分散供电方式，在计算机控制系统的每块插件上用一块集成稳压电路单独供电，这样 不仅可以减轻某一部分电源故障时对整个系统的影响，而且使电源总线上的电压不会影响到插件本 身的电源电压缺点是增大了初期投资，我厂的 DCS 系统就是采用这种电源供电方式。 4 DCS 控制系统接地回
11、路的抗干扰措施 （一）（一）在计算机控制系统中，接地点和接地线的种类繁多，归纳起来有以下几种 （1）数字地，即数字电位的零电位点。 （2）模拟地，A/D 转换器及有关模拟电路的零电位点。 （3）功率地，大电流驱动部件的零电位点，例如：打印机电磁铁的驱动电路的零电位点。 （4）信号地，指测量系统的传感器或者变送器的地电位点。 （5）小信号地，指前置放大器的零电位点。 （6）交流地，50Hz 交流电源的地线。 （7）直流地，直流电源的地线，如：48V 接口电源地，220V DC 电源等。 （8）屏蔽地，为防止静电感应和磁场感应而设计的接地端，又称为机柜地线。 （二）（二）不同的接地线需要不同的接地
12、技术，下面简要介绍一些计算机控制系统中应该遵循的接 地原则，以期尽可能的减小接地回路对 DCS 系统的干扰。 （1）对于低频电子线路，引线的电感不会产生严重的影响，为了避免形成地线环路，应采用一 点接地，对相对于高频电子线路引线电感的影响则较为显著，地线的阻抗加大并导致各地线间的电 感偶合器，通常频率小于 1MHz 时可以采用一点接地，高于 10MHz 时采用多点接地，频率处于 直流稳直流稳 压电源压电源 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 5 110MHz 之间时，一点接地的地线长度不应超过波长的 1/20，否则应采用多点接地。 （2）避免信号地与交流地公用，
13、由于在电源地线的两点之间形成毫伏级、甚至是伏特级电压， 这对于小信号电路来讲，是一个严重的干扰，所以必须把交流地与信号地隔离开，绝对不能混用为 一点。 （3） 浮空地与直接接地， 浮空接地是指系统的接地端不与大地相连接， 这种接地方式比较简单， 但是对于浮空接地端与大地之间的绝缘电阻要求很多，一般要求大于 50 兆欧，否则绝缘电阻会导致 干扰，此外，浮空电源容易引起静电干扰，必须配以良好的屏蔽措施。 （4）数字地，数字电路插件板上的地线应呈网状布线，要避免形成环路，另外地线应有足够的 宽度，一般不应小于 3mm。 （5）模拟地，当测量信号在毫伏数量级（050mv）时，模拟地的接法是相当重要的，
14、为了提 高抗共态干扰的能力，可以采用双层屏蔽的方法或者采用光电隔离技术。 （6）功率地，功率地因传送电流较大，所以地线应采用较粗的导线，并且与小信号地线分开。 （7）信号线，对一些传感器以及变送器的接地电阻通常应小于 5 欧。 （8）小信号地，由于输入信号一般是 mv 级甚至是伏特级的，所以放大器本身的地端应采用一 点接地方式，否则地线中的电位差会引起干扰。 （9）屏蔽地，电场屏蔽应接大地，磁场屏蔽应和高频电磁场最好接大地，但是也可以不接，高 增益放大器的屏蔽层应接放大器的公共端连接起来，以消除放大器与屏蔽层之间寄生电容的影响。 （10）电缆插件的屏蔽 为了避免电缆连接时形成的接地环路以及屏蔽
15、不良，在布线中应要求高电平信号与低电平信号 不要走同一根电缆或者同一个插件，要注意保持设备上出入电缆屏蔽层也要经插件连接在一起，当 两条以上的电缆共用一个插件时，每根电缆的屏蔽层要单独使用一个端子，否则容易影响形成一个 接地环路，使电流在屏蔽层中流动而形成干扰，低电平电缆的屏蔽层要一端接地，而且在屏蔽层外 要有绝缘层，以免与其他地线相接触。 5 数字滤波 干扰信号可以分为有规律的工频干扰和无规律的随机干扰，前者可以采用如上所述的方法进行 消除干扰，后者则可在计算机内部采用数字滤波进行消除。所谓数字滤波就是通过应用的计算或者 判断程序减少干扰信号在有用信号中所占的比重，所以它是一种程序滤波，数字
16、滤波与模拟滤波相 比较而言，克服了诸多的不足之处，它具有以下优点： 1) 数字滤波由于是用程序实现的，不需要硬件设备，所以可靠性高、稳定性好； 2) 数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，这点如果用模拟滤波是很难实现； 3) 数字滤波可以根据信号的不同采用不同的滤波方法或滤波参数具有灵活、 方便、 适用的特点。 由于数字滤波具有上述特点，所以它在计算机控制系统中得到了广泛的应用，下面对几种常见 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 6 的数字滤波方法进行简要的介绍 5.1 平均值滤波法 1）算术平均值法 算术平均值法的基本原理是对某一输入量进行 m次采样所得 到的
17、采样数据 Xi（i=1m）之中寻找一个平均值 y，即：y=1/m 例如在日立 H5000M 系统中的 FLT（均值滤波）宏命令就是采用的这种滤波方法进行对输入 信号处理的。算术平均值法滤波适用于对含有随机干扰信号进行滤波，特别适用于在某一数值范围 上下波动的信号的滤波，如流量、液位等信号。 2）滑动平均值滤波法 算术平均值发的缺点是，必须在采样 m次以后才可以能输出一个数据，因此当要求数据输出速 度比较高，m又比较大的情况下，则要求 A/D 转换器具有非常高的采样速度。而滑动平均值滤波法 则是在每采样一次，就能输出一个数据，从而可以很好的解决掉这个问题。 5.2 尖脉冲干扰抑制法 尖脉冲干扰是
18、一种常见的干扰信号，它的特点是幅值变化比较大，但是持续时间比较短，如果 正好在采样时遇见尖脉冲干扰，采样值将会发生大幅度的变化。一般的平均值滤波法不能有效的消 除尖脉冲干扰。常见的消除尖脉冲干扰的方法有以下两种： 1）变化幅度限制法 由于过程参数变化速度不大，现场参数不可能在两次采样的时间间隔内发生过大幅度的变化， 因此可以设置一个幅度变化限值Xi。当两次相邻采样值之间的差值超过Xi 时，只允许输出值变 化Xi，这样就可以减小尖脉冲干扰对 DCS 系统的影响，例如 H3000 系统所用的 DG2 宏命令模 块就可以实现这样的功能。 2）尖脉冲人工平均值滤波法 由于尖脉冲是持续时间很短的干扰，所
19、以它一般不会连续影响两次以上的采样结果。依次可以 先对 m个数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，之后计算其余 m- 2 个数据的算术平均值。这 种方法可以有效的消除持续时间不超过采样周期的偶发性脉冲干扰。 6 结束语 本文通过对 DCS 系统过程通道的干扰来源以及干扰性质作了具体的介绍， 并且介绍了如何针对 干扰的性质，制定行之有效的防范措施，尽可能的减小干扰信号对 DCS 系统的影响，从而保证 DCS 系统的稳定运行。 m I=1 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 7 作者简介： 作者 1：于剑宇 工作单位：通辽发电总厂生技部 单位地址：内蒙古通辽市电厂街 联系电话：13947350322（04758292502） 作者简历：于剑宇，男，1975 年出生，中共党员，助工，现任通辽发电总厂生技部副经理。 作者 1：史玉伟 工作单位：通辽发电总厂生技部 单位地址：内蒙古通辽市电厂街 联系电话：13947587601（04758293783） 作者简历：史玉伟，女，1968 年 8 月出生，助工（技师） ，现任通辽发电总厂生技部热工专业主管。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建