工控系統的電源抗干擾技術(shù)分析

引言

　　計算機用于工控自動(dòng)化，對于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量、節約能源和材料、保障生產(chǎn)安全和減輕勞動(dòng)強度、實(shí)現生產(chǎn)的現代化管理等等方面都具有重要的作用，是直接提高經(jīng)濟效益、最具發(fā)展潛力的重大領(lǐng)域。工業(yè)控制機要成功地運行，并產(chǎn)生預期的效益，是一個(gè)多因素且頗具難度的系統工程。根據我多年來(lái)的工控研究經(jīng)驗，其抗干擾性能是一個(gè)很重要的環(huán)節。它與工控機應具有一個(gè)好的硬件系統結構及有效的控制對策同算法同樣重要，都關(guān)系到控制項目的成敗。

　　工業(yè)控制機抗干擾技術(shù)主要包含：①電源抗干擾技術(shù)；②屏蔽和接地抗干擾技術(shù)；③輸入/輸出通道抗干擾技術(shù)；④通信抗干擾技術(shù)；⑤軟件抗干擾技術(shù)。本文主要討論電源抗干擾技術(shù)。

　　工業(yè)現場(chǎng)種類(lèi)繁多的加工機械和動(dòng)力設備的啟停運轉如電焊和電火花加工、晶閘管調壓、變頻設備等等，都是干擾源。這些干擾源既能以電磁場(chǎng)方式作用到工控機系統上，又能通過(guò)電源侵入計算機系統造成干擾。而通過(guò)電源造成干擾是最直接的，甚至是破壞性的，占工業(yè)控制機被干擾的絕大比例。雷擊對工控機造成的干擾和破壞，大多數也是從電源入侵的。因此，要提高工業(yè)控制系統的抗干擾性能，首先要在電源上下功夫。

　　1 過(guò)壓、欠壓、失壓保護

　　工業(yè)現場(chǎng)的供電品質(zhì)很差，常常不能達到國家對電網(wǎng)波動(dòng)等級中規定的最低標準C級。表1列出了國家標準對電網(wǎng)波動(dòng)等級的規定。當供電電壓超過(guò)C 級規定時(shí)，通常稱(chēng)為過(guò)壓或者欠壓。而失壓又稱(chēng)瞬時(shí)斷電。產(chǎn)生瞬時(shí)斷電，最常見(jiàn)的原因是用電設備突然短路而它的保險絲還沒(méi)有熔斷的瞬間。另外開(kāi)關(guān)或刀閘觸點(diǎn)接觸不良或顫抖等也會(huì )產(chǎn)生瞬間斷電。瞬間斷電所允許時(shí)間國內尚無(wú)標準，表2列出了日本《工業(yè)用計算機環(huán)境標準》中規定的瞬間斷電級別。

　　當過(guò)壓或者欠壓超過(guò)工控機電源工作范圍時(shí)，會(huì )使電源失?；蛘邠p壞，直接威脅工控機的安全。而瞬時(shí)過(guò)壓或者欠壓形成涌流，即使不超過(guò)工控機電源的工作范圍，也會(huì )造成很強的干擾和破壞性。我們在某鋼廠(chǎng)的控制項目的安裝調試中發(fā)現，煉鋼電爐的電極升降，或者大電機啟停，常常造成近百伏的瞬時(shí)過(guò)壓或者欠壓（車(chē)間400 V低壓側供電）?？朔^(guò)壓、欠壓的方法是選用寬電壓范圍的優(yōu)質(zhì)開(kāi)關(guān)電源，或者外加交流穩壓器、UPS電源以及在工控機內設置欠壓、掉電保護電路等抗干擾措施。

　　1.1 開(kāi)關(guān)電源

　　開(kāi)關(guān)電源是把220 V交流供電直接整流濾波之后，再采用20 kHz 頻率的脈寬調制型振蕩變換為交流，通過(guò)高頻變壓器隔離變換，再整流變?yōu)橛嬎銠C所需要的多種直流電壓輸出。由于甩掉了傳統的工頻變壓器，因此具有體積小、效率高、電網(wǎng)電壓寬范圍變化時(shí)輸出不易過(guò)電壓或欠電壓的優(yōu)點(diǎn)。目前，做得好的開(kāi)關(guān)電源能夠在100 V～300 V寬范圍正常工作，完全不需要再使用交流穩壓器。由于結構上的優(yōu)勢，開(kāi)關(guān)電源抗雷擊的能力比普通電源強，抗電網(wǎng)１個(gè)周期內的失壓能力也比普通電源強。因此，工業(yè)控制機應選用優(yōu)質(zhì)的開(kāi)關(guān)電源，而不應當再使用傳統的變壓器降壓電源。

　　1.2 交流穩壓器

　　交流穩壓器的類(lèi)型和產(chǎn)品都很多，有電子式、鐵磁諧振式、分接開(kāi)關(guān)式、伺服調整式和電源凈化器等等。它們的共同特點(diǎn)是把電網(wǎng)電壓波動(dòng)±10％甚至±15％的范圍穩定到±1％～±2％以?xún)?。選用時(shí)應優(yōu)選具備抗電網(wǎng)干擾能力，或者原、副邊具有隔離的類(lèi)型。例如電源凈化器（也稱(chēng)凈化電源），采用大功率的LC濾波器，若在輸入端加入3 kV尖峰干擾，在輸出端只有低于3 V的輸出。除了具有抑制尖峰干擾性能之外，對半周失壓、過(guò)壓、欠壓等干擾有極好的動(dòng)態(tài)響應。鐵磁諧振方式的交流穩壓器有很好的電網(wǎng)抗干擾能力和原、副邊隔離，可靠性很高，只是它的動(dòng)態(tài)響應較差。計算機控制系統使用這兩種類(lèi)型的交流穩壓器效果較好。

　　1.3 UPS（Uninterruptible Power System）

　　UPS，即不間斷電源。UPS最適合的應用領(lǐng)域是電網(wǎng)突然掉電，而計算機不能停止工作或者需要一個(gè)充足的時(shí)間保護重要數據的場(chǎng)合。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，目前的UPS除了不間斷供電之外，還具備過(guò)壓、欠壓保護功能，軟件監控功能等等。其中在線(xiàn)式的UPS還具備與電網(wǎng)隔離、強抗干擾特性，是高可靠性控制系統的最佳選擇。圖1示出了工業(yè)控制系統使用UPS的正確方法。正常工作時(shí)，電子開(kāi)關(guān)K接到觸點(diǎn)1上，工控系統由UPS逆變供電，一旦UPS發(fā)生故障，電子開(kāi)關(guān)K立即轉換到觸點(diǎn)2上，由市電供電。這種正常情況下由UPS逆變供電，市電作為備用的方法是最有效的電源抗干擾方法。因為UPS逆變的輸出電壓非常穩定干凈，完全隔離了工業(yè)現場(chǎng)供電電源的各種干擾污染，而且抗雷擊效果也較其他的方式好。由于逆變器輸出的交流電壓與市電同步鎖相，因此，開(kāi)關(guān)由1切換到2位置時(shí)，不會(huì )引起大的干擾。

圖1 工業(yè)控制系統使用UPS的正確方法

　　2 電網(wǎng)尖峰脈沖干擾的防治

　　工業(yè)現場(chǎng)的電網(wǎng)污染嚴重。但對工業(yè)控制機來(lái)說(shuō)，危害最嚴重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾。圖2示出了尖峰脈沖的形狀。在煉鋼廠(chǎng)、 軋鋼廠(chǎng)或者大量使用晶閘管設備、電火花設備、電力機車(chē)等地方，這種尖峰干擾為害尤厲。其幅度大的可達數百伏甚至上千伏，而脈寬一般為μS數量級。雷電也常以尖峰脈沖方式入侵。尖峰脈沖幅度很大時(shí)，會(huì )破壞工控機開(kāi)關(guān)電源輸入濾波器、整流器甚至主振管。再加之其頻譜很寬，也會(huì )竄入計算機造成干擾。對尖峰脈沖干擾的防治方法，主要有濾波法、隔離法、吸收法和回避法。

　　 2.1 濾波法

主要是采用電源濾波器濾除尖峰干擾。圖3示出了典型的電源濾波器原理圖。L1、L2是繞在同一鐵心上的共模軛流圈，對共模形式的干擾呈現很大的阻抗，而對工頻和常模形式的干擾電感為零。因此對圖2所示的形成常模形式的尖峰干擾無(wú)效。但電容C1、C2、C3卻對其有一定的衰減。目前這類(lèi)產(chǎn)品繁多，大多數按IEC/CISPR №。17出版物的規定指標生產(chǎn)。例如常州堅力電子有限公司生產(chǎn)的D、DZ、PC、K、T、F系列的電源濾波器，對共模干擾插入衰減，在10～30 MHz頻率范圍，可為20～50 dB以上。電源濾波器體積小，價(jià)格便宜，但效果一般。

圖3 典型的電源濾波器電原理圖