1 引言
在钢铁企业中无论是炼铁、炼钢、轧钢还是其他辅助生产线，都大量使用变频器。而变频器运行时既要防止外界干扰它，又要防止它干扰外界，变频器干扰再加上别的电磁干扰，给工控系统正常运行带来了麻烦。由于工控系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，该系统的抗干扰能力的强弱直接关系到整个自动化系统能否顺利运行。工业企业中所使用的工控系统类型多种多样，安装的位置也各异，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各机电设备上，但它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，受到不同程度的电磁干扰。要减小干扰，提高工控系统可靠性，一方面工控系统自身应具备较强的抗干扰能力;另一方面，在工程设计、安装施工和使用维护中，必须高度重视抗干扰问题，只要各方密切配合，才能有效地增强系统的抗干扰性能。因此分析干扰源，研究抗干扰的措施是有必要的。

2 电磁干扰源及对工控系统的干扰
2.1 干扰源及干扰一般分类
工控系统的干扰源大都产生在电流、电压、电场、磁场剧烈变化的部位。在这些部位电荷剧烈移动，就形成了噪声源，即干扰源。
干扰类型多样，通常可按产生噪声的原因、噪声干扰模式和噪声的波形和性质的不同进行划分，其中按噪声干扰模式进行分类是一种比较常用的分类方法。该方法将干扰分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130v以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏(它是造成一些系统i/o模件高损坏率的主要原因)，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，该电压叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。
2.2 工控系统中电磁干扰的主要来源
(1) 来自空间的辐射干扰
空间的辐射电磁场(emi)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若工控系统置于所在射频场内，就会受到辐射干扰。其干扰的路径有二:一是直接对工控系统内部的辐射，由电路感应产生干扰;二是对工控系统通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是与频率有关，一般可通过屏蔽电缆和工控系统局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。
(2) 来自系统内引线的干扰
主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰，是出现在工业现场的一种较为严重的干扰。
l 来自电源的干扰
因电源引入的干扰造成工控系统故障的情况很多，在工程调试中经常遇到。使用如图1所示的经过1∶1隔离变压器屏蔽及接地的工控系统电源，就可有效解决该问题。

图1 1∶1隔离变压器屏蔽及接地方式图
工控系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上产生感应电压和电流。尤其是电网内部的变化，如开关操作产生的浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。工控系统电源通常采用隔离电源，但受其构成及制造工艺等因素的限制，其隔离效果实际上并不十分理想，因为分布参数特别是分布电容总是存在的，绝对隔离也就不可能。
l 来自接地系统混乱时的干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性(emc)的有效手段之一。正确的接地，既能抑制来自外界的电磁干扰，又能抑制该设备发出干扰信号;而错误的接地，会引入严重的干扰信号，使得工控系统无法正常工作。
工控系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱，各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，会引起工控系统地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当遇异常情况如雷击时，地线电流将更大。
此外，屏蔽层、接地线和大地也有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路，影响工控系统内逻辑电路和模拟电路的正常工作。工控系统工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响工控系统的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布干扰将降低测量精度，严重时会引起信号严重失真和系统控制的误动作。
(3) 来自工控系统内部的干扰
与工控设备连接的各类信号传输线，在传输各类有效信息时，总会有外部干扰信号侵入。主要是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，是一种较为严重的干扰。由于此类干扰的存在，i/o信号工作可能出现异常，相关的测量精度也会相应受到影响，严重时将引起元器件损伤。如果系统隔离性能差，信号间还会互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。此类干扰主要由系统内部各控制单元及电路间的相互电磁辐射产生。逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等，都可能导致此类干扰的产生。它主要与工控系统制造厂对系统内部进行电磁兼容设计有关。

3 工控系统工程应用的抗干扰设计
为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，在设计阶段可以从以下三个方面采取抑制措施:抑制干扰源;切断或衰减电磁干扰的传播途径;提高装置和系统的抗干扰能力。
工控系统的抗干扰是一个系统工程，既要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，又要求其使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。使用部门在进行具体工程的抗干扰设计时，应主要考虑以下两个方面。
3.1 设备选型
在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其中包括电磁兼容性(emc)，尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的工控系统等;其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作;另外还应考查其在类似工作中的应用实绩。 在选择国外进口产品时要注意:我国是采用220v高内阻电网制式，而欧美地区是110v低内阻电网。我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，因此在国外能正常工作的工控系统产品在国内就不一定能可靠运行，这就要求在采用国外产品时，按我国的标准合理选择。
3.2 抗干扰综合设计
可采用来自系统外部的几种干扰的抑制措施。主要为:对工控系统信号引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰;对外引线进行隔离、滤波，特别是动力电缆，要分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰;正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。

4 主要抗干扰措施
4.1 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰
在工控系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入工控系统，主要是通过工控系统中的各控制单元的供电电源串入，含变送器供电电源和以及具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于工控系统供电的电源，不可能都采用隔离性能较好的电源，例如变送器供电的电源及直接电气连接的仪表的供电电源的抗干扰性，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但如果仍使用分布参数大，抑制干扰能力差的隔离变压器，会串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少工控系统的干扰。
此外，为保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源(ups)供电，以提高主要控制设备供电的安全可靠性。并且ups还具有较强的干扰隔离性能，是工控系统的理想电源，工业控制系统使用ups的正确方法如图2所示。

图2 ups的正确连接方法
4.2 电缆选择及敷设
为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆，在工程中可采用铜带铠装屏蔽电力电缆，实践证明抗干扰效果较为满意。
为了减少电磁干扰，不同类型的信号应分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层铺设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，信号线不宜与动力电缆靠近平行铺设。
4.3 硬件滤波及软件抗干扰措施
信号在接入工控系统前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰;在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。
此外由于电磁干扰的复杂性，要根本消除电磁干扰影响是不可能的，因此在工控系统软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施为:使用数字滤波和工频整形采样来有效消除周期性干扰;定时校正参考点电位，并采用动态零点，来有效防止电位漂移;采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位;采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构的可靠性。
4.4 正确选择接地点，完善接地系统

图3 屏蔽电缆在被控设备处接地、控制器处悬空

图4 屏蔽电缆在控制器处接地被控设备处悬空

图5 浮接地系统

图6 一点接地系统

图7 多点接地系统

图8 绝缘变压器方式

图9 公共接地方式

图10 两点接地方式

图11 控制单元的一点接地

图12　信号采集系统接地示意图
接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是工控系统抗电磁干扰的重要措施之一。
系统接地方式有:浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对工控系统而言，不同的控制单元应采用不同的接地方式，如图3～图12列出了不同工控系统的接地方式。例如plc，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1mhz，所以工控系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式，如图11。集中布置的工控系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极，如图12。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地;不接地时，应在控制单元侧接地;信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并做绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。

5 结束语
工控系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，才能够有针对性减少干扰，使工控系统正常工作。