工业自控装置中的现场干扰措施

 工业自动化仪表、工业过程控制系统等自控装置在工业现场运行时，由于各个工业生产环境不同，将会遭受到各种各样的干扰，由于自控装置采集和处理的很多是微小信号，并且可能担负着重要的控制和保护功能，因此，工业自控装置必须具备优良的抗干扰能力。

抗干扰的措施很多，总体来说，主要包括滤波、隔离、屏蔽和接地等。

一、滤波

滤波分为无源滤波和有源滤波，以及软件上的数字滤波。

1) 无源滤波电路由最常见的无源器件电阻、电容、电感组成，而且也分成低通、高通、带通、带阻等模式。根据现在的工业标准信号特点，通常在自控装置信号的输入输出调理电路中，用到最多的就是RC（阻容）无源低通滤波，原理很简单，就是利用阻容的幅频特性和分压原理，由此可以通过选择合适的阻容值关联和不同频响的阻容器件，实现对不同频段干扰信号的衰减。同理，对于交流供电处的干扰抑制，工业自控装置一般会选配成熟的电源滤波器，符合阻抗匹配后，电源干扰的抑制变得异常简单。

当然这里个人还想提出一个特殊的无源滤波方式，其实也是业内常见的压敏电阻、瞬态电压抑制器等特殊器件的应用。这些器件有很特殊的V/I特性曲线，随着端电压变化，器件在某些时刻瞬间会呈现巨变的电阻特性，有的甚至是负阻特性，利用这个特性，合理选择器件参数，可以将由干扰引起的尖峰电压抑制在可控的水平之内，达到保护内部电路的目的。除动作电压参数外，动作时间和残留电压是选用这些器件特别需要注意的。

2) 有源滤波是在阻容的基础上结合运放器件，利用运放的输入高阻特性，滤除干扰信号，驱动优化有效信号。在工业自控装置信号调理设计中，通常是放在前段无源滤波后，进入A/D转换前，一来对前段滤波的一个补充，二来稳定有效信号。

3) 数字滤波是通过软件算法的方式，对模拟量信号而言，是对硬件滤波的一个补充，结合足够快的A/D采样速率，也能实现对特定频段的滤波；对开关量信号而言，可以消除开关信号变化时的抖动。

这里再提出一个特殊的数字滤波形式，即通讯中常用的校验机制，随着通讯技术发展，设备之间的通讯方式和通讯能力都大幅度改善和提高，通讯过程的真实可靠在系统运行中也越来越重要。在工业现场通讯线往往会被走很长的线，甚至要经过强的干扰源，因此合适的通讯校验是必须的。根据通讯方式和通讯的重要性，我们可以选择简单高效的奇偶校验、异或校验等方式，或者安全性高但计算复杂的CRC校验等，当然，随着芯片设计制造技术的发展，复杂的校验算法已经通过硬件逻辑的方式集成到通讯控制芯片内部了。

二、隔离

隔离的目的就是切断干扰进入系统的通道。
工业自控装置设计中最常用的包括变压器隔离、光电隔离、继电器隔离和走线隔离。它们分别用于不同的场合。

1) 变压器隔离
变压器隔离就是利用变压器原副边电气上的隔离。在实际应用中，变压器往往是专用电路的一个器件，比如DCDC电源中的隔离变压器。工业自控装置中的模拟量输入单元往往在处理两线制变送器，两线制变送器是同时需要供电的，为了实现变送器与自控装置的电气隔离，给变送器供电必须使用隔离电源，工业自控装置的系统电源经过DCDC电源（隔离变压器）隔离后，再给变送器供电，即可实现了供电隔离。
这里需要强调的是，由于变压器本身特性决定，原副边的分布电容不可忽视，尤其是高频干扰的场合，特殊情况下，需要定制特殊隔离变压器，以获得足够小的分布电容。

2) 光隔离
光隔离是由发光和光感器件的耦合来实现的。
目前光耦器件已经在工业自控装置设计中应用的非常成熟。根据光耦本身特性，光耦基本用于数字信号的隔离，包括通讯、TTL电平驱动、CMOS电平驱动、逻辑控制等。
固态光电隔离继电器常用于模拟信号输入的隔离，与光耦不同的是，固态光电隔离继电器的输出端是由功率MOS管构成，它截止时相当于被控制端的两点断路，导通时相当于一个固定的低值电阻，其特性类似模拟开关，适合多通道模拟信号采集时的通道隔离应用。
此外，光纤通讯的应用也丰富了光隔离的范畴，工业自控装置在需要进行远程通讯时，一般都要求用户配置光纤通讯功能的通讯设备，以获得稳定可靠的通讯过程。

3) 继电器隔离
机械继电器的触点和驱动线圈之间是电气隔离的。在工业现场往往要处理强电信号，利用机械继电器的这个特性，可以很好的解决这个问题，弱电控制信号输入继电器线圈侧，控制载有强电信号的继电器输出触点。
特别强调，实际应用中需加强对继电器线圈续流保护和继电器输出触点的消弧保护。

4) 走线隔离
工业自控装置走线分为外部现场信号走线和内部电路板走线。无论那种走线，除尽可能美观、经济、便于测量维护外，更应满足隔离干扰的要求。遵循的基本原则：
- 强电弱电分开
- 模拟数字分开
- 尽可能减小分布电感和分布电容
- 合理利用地线走线、接地线槽等进行隔离

三、屏蔽

屏蔽就是通过屏蔽体隔断电场、磁场和电磁场通过空间耦合。就目前的工业自控产品而言，磁场的影响应该不大了，因此屏蔽的重点是电场和电磁场，包括静电场。

对于不同大小的系统来讲，金属外壳就是一个良好的屏蔽体，屏蔽的效果取决于结构件设计，开孔方式、开孔尺寸、部件间的配合间隙等等。

对于工业自控装置内部单元部件的屏蔽主要有以下几种方式：
1) 使用金属机架、机笼和面板。很明显，被金属包围的单元部件可以受到很好保护。
2) 单元部件使用金属衬底。这样可以屏蔽机笼内部，各个单元之间的干扰。
3) 利用印制板敷铜。在不具备使用专用金属屏蔽体的情况下，利用印制板本身的铜材质，是个不错的方法。印制板上除去器件引脚占用的空间外，都可以作为敷铜区域，大面积敷铜形成屏蔽效果，当然在多层板设计中，专门的地平面会有更好的效果。
4) 此外，使用专用屏蔽线缆可以保护专用的信号，包括信号线、通讯线等。

四、接地

接地应该说是所有抗干扰措施之根本，很多抗干扰措施没有良好的接地，也无法达到预期的效果。无数事实也证明，良好、正确的接地能很大程度帮助提高系统的抗干扰运行能力。

接地按目的分为安全地、工作地和屏蔽地，针对抗干扰而言，应强调工作地和屏蔽地的正确使用。

接地按形式分为浮地、单点接地、多点接地和混合接地。浮地适合小系统或单台仪表。单点接地适合工作频率低的场合。多点接地适合工作频率高的场合。混合接地则根据整个系统的工作频率分布，视情况而定。

工业自控装置系统最常用的还是单点接地，单点单独接大地或者单点接入工厂等电位接地网。当然随着应用的推广，单点的概念也得到改进，不局限在一个“点”上，而是将“点”扩展成接地排。在工业自控装置系统内部，有时也局部应用浮地技术，对于这么大型的系统来讲，使用分布电容尽可能小的隔离器件是重要的，否则浮地很难实现，其效果适得其反。在外部信号线的屏蔽上，根据需要有时会使用混合接地，即双层屏蔽线，两个层分别单点和两点接地，这样既能屏蔽工频共模干扰，又能抑制浪涌等高频入侵。

总的来说，在坚持原则的基础上，强调灵活应用，达到应有的效果才是真正的目的。