火电厂微机监控系统的抗干扰技术

1、火电厂微机监控系统的抗干扰技术葛蓬朱波李欣然摘要以分散控制系统为例，分析了火电厂中的干扰，介绍了火电厂微机监控系统中的抗干扰技术，包括隔离、屏蔽、接地及电源干扰的抑制等，同时介绍了软件抗干扰技术。关键词工业计算机；分散控制系统；抗干扰中图分类号TK32；TN9733文献标识码A文章编号1006-3986（1999）01-0039-04 Anti-interference Technics Used in the Microcomputer Monitoring andControl System ofPower Plant GE Peng1，Zhu Bo1，LIXin-ran2 （1Wuhan

2、 University of Hydraulic and Electric Engineering;2.Wuhan Electric Power Supply Bureau,Wuhan 430013,China） Abstract:By analyzing the inerference in power plant in view of DCS(Distrbuted Control System)used in power plant,the hardware technics of anti-interference,including isolating,screening,ground

3、ing,balance and power distribution and the software technics of anti-interference in microcomputer monitoring and control system of power plant are introduced simultaneously.Keywords:industrial computer;distributed control system;anti-interference 近年来，分散控制系统(以下简称DCS)在我国火电厂获得广泛应用。DCS的可靠性直接影响火电厂的安全生产和

4、经济运行，而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。我国各火电厂环境复杂，各种干扰非常严重，如不能处理好干扰问题，即使技术先进的DCS也不能保证安全可靠运行。由于分散控制系统的元器件和电子线路具有工作电平低、信息传递速度快、密度高等特点，因此必须采取有效的措施提高其抗干扰能力，这除了要求生产过程中提高元器件的抗干扰能力外，还要求在工程设计及安装施工中妥善解决一系列有关问题。 1干扰源及其对系统的干扰机制从干扰源产生的机理来看，大致分为：自然干扰、人为干扰、外部干扰和内部干扰。火电厂DCS的干扰通常来自以下几个方面：11系统内部干扰。它主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生。12

5、系统外引线干扰。它主要通过电源和信号线引入，也称传输干扰。13来自空间的辐射干扰。自由空间的电磁辐射干扰分布极为复杂，可由雷电、雷达、无线电、通信等产生，它不仅能通过计算机内部的电路感应产生干扰，还可通过对计算机外围设备及通信网络的辐射，由外围设备和通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置和电磁场的大小和频率有关，一般通过设置电缆和计算机局部屏蔽等方法防止其进入系统。各种干扰信号侵入途径所占百分比见附图。 附图干扰信号的侵入途径 2硬件电路抗干扰技抑制干扰必须从消除干扰源和切断耦合通道两方面着手，常用的抑制措施有隔离、屏蔽、平衡、接地等。针对不同情况，采用一种方法或其中几种方法结合在一起

6、，可以获得满意的效果。21隔离电磁干扰是影响系统可靠性的最主要的外部因素。因为干扰与距离的平方成正比，所以在条件允许的情况下，可加大微机与干扰源的距离来进行物理隔离，如采用光电隔离和变压器隔离。各种性质的电干扰最终都体现为不等电位干扰，为克服这种干扰，有效的方法就是将DCS系统分为多个小部分，每部分单独共地，各部分之间采用高绝缘隔离，这样缩小了每个共地系统的空间范围，有利于消除不等电位干扰。不等电位干扰在分散控制系统IO站中尤为明显，因此IO站设计过程中一般采用分块隔离技术。在隔离系统中必须注意电源匹配问题，即在主机与外部设备间进行隔离，则两者必须由各自电源供电；如不进行隔离，则可采用统一供电

7、，保证一点接地以降低不等电位干扰2。HS2000系统的IO站采用了完全隔离技术，使现场与控制系统间的电气信号完全隔离，从而大大提高了控制系统抗现场冲击和干扰的能力，但系统和现场供电的电源需单独配置。22屏蔽系统中各个部分都可能存在耦合干扰，如板内电路耦合、板间耦合、IO信号线间的耦合、电源线与系统的耦合等。而解决耦合的方法，一是抑制干扰源，二是保护易受干扰的通道。所谓屏蔽，就是两种方法的结合。221抑制干扰源抑制干扰源最有效的方法就是将易受干扰的通道远离强干扰源，并对干扰源进行屏蔽。对干扰源的屏蔽必须注意两个问题：（1）采用同轴电缆对干扰源进行屏蔽时，应采用单端接地的形式。（2）对系统各模板间

8、的干扰可采用屏蔽板进行隔离，屏蔽板必须与系统保护地一点相连，以构成等电位屏蔽，否则会引入新的不等电位干扰。222保护易受干扰的通道对位于电路板上的易受干扰信号或器件，可在信号线两侧或器件周围加铺地网；而对于系统中IO设备与现场的连线，常用双绞线或同轴电缆对其进行保护。在使用屏蔽层和屏蔽电缆时，屏蔽层应采用“一点接地”原则，而且屏蔽层外还要有绝缘层，以防止与其它金属导体或结构接触时形成通路，造成地电流和地电压的干扰。随着机组容量增大和计算机监控系统采用屏蔽电缆的增多，屏蔽层正确接地已成为抗干扰的重要环节。23平衡利用电路上的平衡关系，让两根传输同一信号的导线具有相同的干扰电压，可使干扰电压在这两

9、根导线上的负载上自行抵消。用这种方法，能较有效地抑制外电路的电磁干扰。如双绞线就是平衡处理的一种形式。24接地接地是DCS抗干扰的重要措施，对接地系统设计是否合理、可靠，关系到系统的安全性、抗干扰能力的强弱及通信系统的畅通。在实施隔离及屏蔽时，许多措施中都需要接地，按其目的可分为安全接地与抗干扰接地。实践中由于接地不良或接法错误造成DCS失效甚至损坏的事例很多，因此对接地问题必须慎重处理。下面给出DCS接地的一般性原则：241全系统采用统一的接地网交流工作地、安全保护地和直流工作地之间应严格绝缘，在汇集板汇合后再以绝缘电缆接到接地网上，所有接地点应与接地网牢固连接，且应尽量减少接地点与接地网的

10、距离。对于高频信号器件，电路中应采用大面积直接接地，以减少电路间的相互影响。DCS的接地宜与现场电气接地网共用，否则突变电磁场的冲击(如雷电、浪涌等)将给系统带来更大的干扰1。尽管目前对共用接地网还没取得共识，但国内电力系统中微机监控系统的应用实践表明：微机监控系统、防雷系统与电气系统共地方式比其采用独立接地方式更安全可靠、造价低廉。242信号线要选屏蔽电缆，且应合理敷设信号屏蔽层的接地必须保证单点接地，从现场仪表到DCS的IO卡之间的连线须用屏蔽电缆(芯线15mm2）。信号电缆应按传输信号的种类分层敷设，一般采用电缆桥架来敷设电缆，以免受外界电磁干扰、雷感应干扰及外界损伤，严禁用同一电缆的不

11、同导线同时传送动力电源和信号，并避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，即进行物理性隔离。在敷设电缆的某些区域(如穿过墙壁和天花板及突出电缆)，可以减少低负荷电缆和低、中压电缆的距离，但要注意屏蔽。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；信号源不接地时，屏蔽层应在测控端接地。一定要避免多点接地。如果信号源端和测控端都必须接地，则对信号必须采用变压器隔离或光电隔离等措施，屏蔽体在信号源端接地。243在IO信号传输线上加接地电容在输入线与地间并接电容(即滤波器)可减少共模干扰；信号两极间加装型滤波器可减少串模干扰。应合理选择(滤波器)，若串模干扰频率fn大于被测信号频率fs，则选用低通滤波器；若fnfs，则

12、选用高通滤波器；若fn超出被测信号频谱范围，则选用带通滤波器；若fn与fs相当，则只能选用数字滤波器。244系统应有良好的安全接地安全接地是指系统机柜及内部机件的接地。如果内部机件与机柜的接触不好，则应以铜带将其与机柜相连。控制柜上接地装置太多时，应设置接地汇流排，接地电缆宜采用焊接的方式安装。245用浮地输入双层屏蔽方式抑制共模干扰对存在共模干扰的地端，测控装置不宜采用单端对地输入方式，应采用双端不对地输入方式；对不能采用双端不对地输入的测控装置，可以采用浮地输入双层屏蔽方式来抑制共模干扰。它是利用屏蔽方法使输入信号模拟地浮空，从而达到抑制干扰的目的。INFI-90系统的许多信号输入采用这种

13、方法，应用效果良好。246加装室内外闪电保护系统加装室内外闪电保护在火电厂微机监控系统接地方式中也有应用。247户外传感器及其它设备的接地对于户外传感器及其它设备(如天线、通讯设备等)的柜子应用可能最低的低感应路径连接到建筑物的钢筋或金属表面上。除天线外，所有在屋顶或在墙上高出地面20m传感器及其它设备应配空气端子，且应在建筑入口处加装电涌抑制电路。248参考基准点系统的接地应避免当接地过载时出现不允许的高电位差。所有接线柜上的24V参考基准点(进线端)由一个24V中心电源供电，它必须按可能的最短线路接在接线柜的接地端处。不同建筑间用24V中心电源在各柜间传递信号必须采用电流隔离。249屏蔽系

14、统的接地屏蔽网总是按最短线路连接在机架、传感器、或部件地上，由此来消除电压循环。所有主干线和副线的屏蔽网都接到屏蔽总线棒，屏蔽总线棒再和一个固定平板直接相连。就地设备的屏蔽网通过较短的线路和机箱相连。2410现场设备的接地变送器和接线盒应以最短的低感应路径与钢筋相连；其它的传感器如热电偶、热电阻温度计应与导管相连，或者提供一个固定接头以达到最短连接，连接处必须实现安全电焊；控制台、基础框架的每个角应与钢筋以最短路径相连。以上给出了DCS接地的一般原则，但国内外研制的DCS中，对接地的处理和思路不尽相同。如Foxboro的IASeries内部交流地、逻辑地、系统地是不区分的，当电源的三根线(相线

15、、零线、地线)接到机柜的配电盒时，即完成了系统接地。为保证系统接地的安全，应采用：任一个机柜的接地线都接到配电盘的接地铜板上，由配电盘接地端统一接地，来自现场的屏蔽电缆层连接到机柜安全地上，每个机柜的通信电缆屏蔽层接到系统地上。TELEPERM-me系统采用了一个接地点且与电气网共地方式。H-3000系统的安全地采用了就地接大地或接入汇集板，而系统地(直流工作地)则采用汇集板(总接地板)接地方式。而INFI-90则以大地零电位为参考电位。综上所述，各DCS都有其特殊性，在安装过程中要严格按照各系统的设备技术规范要求进行安装，以免造成不必要的损失。不同的接地方式对接地电阻的要求也不同，必须严格分

16、开。电力部门对DCS(DAS)接地电阻的要求是：在采用独立接地时接地电阻要求小于4；在采用与电气网共地时接地电阻应小于1；在采用防雷地、电气地、DCS地三者共地时应小于05；实测结果说明火电厂电气接地网的接地电阻可达到小于013。25系统电源在DCS应用中，一方面对现场的电网情况提出要求，另一方面应采用高可靠性的电源。多数DCS中采用了特别研制的UPS，能够在失电的情况下维持一段时间正常供电。有时还要求IO站为现场的设备(如仪表)提供电源，这些设备直接控制生产，因此这一部分电源必须十分可靠，即使控制系统失效，电源应能正常工作。在成熟的DCS中都对此类电源作双冗余处理。如Foxboro的IASe

17、ries系统各主机柜采用两路交流供电方式。一路为UPS(220V)供电，另一路为电厂保安电源。电源经机柜内部的ST2开关进行自动切换，当主电源(UPS)电压降到额定电压的80%时，切换开关自动切换到副电源。对于一般的微机监控系统，可采用微机抗干扰专用芯片，如WMS7705B芯片适用于电源为5V的微机中进行抗电源干扰和掉电保护。目前许多监控系统中的PC机采用普通PC机电源，这是不可取的。26通信网络通信网络是DCS的四大组成之一，DCS本身采取了许多措施，如冗余、容错等来保证通信网络的可靠。在安装敷设时，两条电缆要采用不同路径敷设，如一条架空，而另一条埋地敷设，且绝不能与电力电缆平行敷设，实在分

18、不开时，要求对电源线加屏蔽，做保护槽或通信信号线加屏蔽措施。除上述措施外，对被测信号尽可能早地进行前置放大，提高电平等级，从而提高回路中的信噪比，亦可有效地抑制电磁干扰。 3软件抗干扰技术火电厂微机监控系统工作现场电磁干扰复杂，虽然在硬件方面已采取了一系列抗干扰的技术措施，但仍会有干扰进入系统中，所以仅仅依靠硬件要想从根本上消除干扰是不可能的，因此在进行软件设计和组态时，还必须在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的安全可靠性。在CPU处理能力允许的条件下，对那些硬件和软件均可实现的功能，应尽可能用软件来完成，这样，不仅硬件电路简单，引入和发出的干扰因素也相应减少，还有利于调试和提高系统的可靠性，节省硬件投资，降低成本。软件抗干扰的措施很多，并在不断发展和完善，常用的方法有数字滤波、设置软件陷阱及自检程序等。以下仅简单介绍一下数字滤波。数字滤波的实质是通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，保护有用信号，减弱或消除干扰信号。一般方法是把多次采集到的数据由小到大