仪表控制系统干扰分析与抗干扰研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇仪表控制系统干扰分析与抗干扰研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

[摘 要]仪表及其控制系统的可靠性直接影响到我国现代化工业生产装置的安全、稳定运行，所以系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。本文则对仪表控制系统干扰进行简单分析，并针对具体问题提出了解决和预防措施。

[关键词]仪表测控 抗干扰 技术 通用抗干扰技术

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0157-01

一、干扰源及对系统的干扰

干扰的来源有很多种，我们通常所说的干扰是电气的干扰，但是在广义上热噪声、温度效应、化学效应、振动等都可能给测量带来影响，产生干扰。在测量过程中，如果不能排除这些干扰的影响，仪表就不能够正常的工作。

根据仪表输入端干扰的作用方式，可分为串模干扰和共模干扰。串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰；共模干扰是加在仪表任一输入端与地之间的干扰。

一般来说干扰仪表测控系统的干扰源主要有电力网络和电气设备的暂态过程、雷电等引起空间的辐射干扰和系统电源线、信号引线、接地等引起的系统外引线干扰。这些干扰总体上分为两大类：内部干扰和外部干扰，详细分析无外乎由于辐射、温度、湿度、振动、传输、感应、电源、接地几个方面。下面对常见的几种干扰机制进行简单分析：

来自传输的干扰主要有两种途径：一是通过传感器供电电源或公用信号仪表的供电电源即配电器串入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，严重时会引起元件损坏，逻辑出错和大的系统故障。

来自空间的辐射干扰对测控系统影响主要通过两条路径：一是直接对计算机内部辐射，由电路感应产生干扰；二是对计算机设备及通讯网络的辐射，由设备和通信线路的感应引入干扰。

来自接地系统的干扰主要是接地系统混乱：测控系统的屏蔽接地线及机壳接地线、信号接地线、功率地线、交流电源地线等引起的噪声耦合干扰。

从以上所述，我们可以总结出各种干扰源对测量装置及检测系统产生干扰电流（电压），需同时具备三个要素：⑴噪声源；⑵对噪声敏感的接受电路；⑶噪声源到接受电路之间的传输途径。

二、干扰的抑制

常用的抗干扰措施比较多，要想抑制干扰，必须对干扰作全面地分析了解，要在消除或抑制噪声源、破坏干扰途径和削弱接收电路对噪声干扰的敏感性这三个方面采取措施。

消除噪声源是积极主动的措施。比如插接件接触不良、虚焊等情况，对于这类干扰源是可以消除的。从原则上讲，对于噪声源应予以消除。但是，实际上很多的噪声源是难以消除或不能消除的。例如有时候泵房中的仪表，泵运行时电机的电磁干扰就是不能够消除的。这时候就必须采取防护措施来抑制干扰。

1.串模干扰的抑制

串模干扰与被测信号所处的地位相同，因此一旦产生串模干扰，就不容易消除，因此应当首先防止它的产生。防止串模干扰的措施一般有以下这些：

（1）信号导线的扭绞。由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路包围的面积大为减少，而且是两根信号导线到干扰源的距离能大致相等，分布电容也能大致相同，所以能使由磁场和电场通过感应耦合进入回路的串模干扰大为减小。

（2）屏蔽。为了防止电场的干扰，可以把信号导线用金属包起来。通常的做法是在导线外包一层金属网（或者铁磁材料），外套绝缘层。屏蔽的目的就是隔断“场”的耦合，抑制各种“场”的干扰。屏蔽层需要接地，才能够防止干扰。

以上的几种方法是主要是针对与不可避免的干扰场形成后的被动抑制措施，但是在实际过程中，我们应当尽量避免干扰场的形成。譬如注意将信号导线远离动力线；合理布线，减少杂散磁场的产生；对变压器等电器元件加以磁屏蔽等等，采取主动隔离的措施。

2.共模干扰的抑制

由于仪表系统信号多为低电平，因此，共模干扰也会使仪表信号产生畸变，带来各种测量的错误。防止共模干扰通常采取的措施如下：

（1）接地。通常仪表和信号源外壳为安全起见都接大地，保持零电位。信号源电路以及仪表系统也需要稳定接地。但是如果接地方式不恰当，将形成地回路导入干扰。通常，仪表回路采用在系统处单点接地，但是事实上，信号源侧对地不可能绝缘，所以，从这个意义上来说，不可能彻底的消除地电位差引进的干扰。所以为了提高仪表的抗干扰能力，通常在低电平测量仪表中都把二次仪表“浮地”，也就是将二次仪表与地绝缘。以切断共模干扰电压的泄漏途径，使干扰无法进入。在实际应用中，我们通常将屏蔽和接地结合起来应用，往往能够解决大部分的干扰问题。如果将屏蔽层在信号侧与仪表侧均接地，则地电位差会通过屏蔽层形成回路，由于地电阻通常比屏蔽层的电阻小的多，所以在屏蔽层上就会形成电位梯度，并通过屏蔽层与信号导线间的分布电容耦合到信号电路中去，因此屏蔽层也必须一点接地。并且，信号导线屏蔽层接地应与系统接地同侧。

事实上，由于二次仪表的外壳为了安全，是需要接地的。而仪表的输入端与外壳之间一定存在分布电容和漏阻抗，因此，浮地不可能把泄漏途径完全切断，因此，必要的时候，通常采用的是双层屏蔽浮地保护。也就是在在仪表的外壳内部再套一个内屏蔽罩，内屏蔽罩与信号输入端已经外壳之间均不做电气连接，内屏蔽层引出一条导线与信号导线的屏蔽层相连接，而信号线的屏蔽在信号源处一点接地，这样使仪表的输入保护屏蔽及信号屏蔽对信号源稳定起来，处于等电位状态。

另外，经常采用的抗干扰措施还有隔离，也是通过阻止干扰回路的形成来抑制干扰。这些方法的作用是叠加的。通常，我们会采取其中的一种或几种方法来提高信号测量的抗干扰能力。

三、通用的抗干扰技术

既然形成对测量装置及检测系统的噪声干扰需要“三要素”，因此消除和减弱噪声干扰的方法亦应针对三项因素采取措施，即：⑴消除或抑制噪声源；⑵阻截干扰传递途径；⑶削弱接受电路对噪声干扰的敏感性。这三种措施均属于硬件措施。伴随着微型计算机应用于工业生产，智能传感器和智能仪表的普遍应用，在软件方面，像数字滤波、数字处理等更多的抑制干扰的措施和方法得以应用，仪表测控系统安全水平大大提高。而这几种措施通常采取隔离、屏蔽、接地保护、软件技术完成，下面对这几种技术介绍：

隔离包含着两种意义：一为可靠绝缘，即保证导线之间不会产生漏电流，所以要求导线绝缘材料的耐压等级、绝缘电阻必须符合规定；另一为合理配线，即要求信号线尽量避开干扰源，譬如当动力线和信号线平行敷设时，两者必须保持一定的间距，两者交叉时要尽可能垂直，导线穿管敷设时，电源线和信号线应在不同导线管内。不同信号辐值的信号线不宜穿在同一导线管内。在采用金属汇线槽敷设时，不同辐值导线、电缆与电力线需用金属隔板隔开。同一多芯电缆内不宜有不同辐值的信号线等等。

屏蔽和抑制是用金属导体把被屏蔽的元件、组合件、电路及信号线包围起来，主要用于抑制电流性噪声藕合，起到一定的磁屏蔽作用。另外用双绞线代替两根平行线是抑制磁场干扰的一种行之有效的方法。

软件抗干扰技术：工业现场的复杂环境硬件抗干扰措施无能为力，比如工控机死机了或者控制出错了。这将给生产带来可怕后果，因此使用软件抗干扰措施避免和减轻这些意外事故犹为重要。

四、结束语

仪表作为自动化系统中的一个重要组成部分，大量的采用低电压的模拟量作为传输信号在工作环境较恶劣现场，存在着各种各样的干扰源，极易干扰测量信号的传输 。在仪器仪表设计和使用时，我们必须对工作环境作全面的分析，确定干扰性质，采取相应的抗干扰措施。

而干扰问题的形成是因为有干扰源的存在，并通过一定的耦合渠道对仪器仪表产生影响。为了减少这些影响，在设计仪表时就应考虑对干扰的抑制问题，尽量提高其抗干扰的能力。在实际应用中，要找出并结合绞扭、屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离等方法，切断耦合通道以抑制干扰。同时，要求显示仪表具有耐高温、低温、高压、腐蚀、高粘度等性能和较好的动态特性，以减少被测参数的测量误差。

五、参考文献

[1] 袁任光主编.可编程控制器选用手册.北京机械工业出版社，2002.3，蔡武昌，孙淮清. 《流量测量和仪表的选用》.北京化学工业出版社，2010.4.

[2] 孔凡才主编.自动控制原理与系统.北京机械工业出版社，1988.