工控系統的電源抗干擾技術分析

引言

　　計算機用于工控自動化，對于提高產品的產量與質量、節(jié)約能源和材料、保障生產安全和減輕勞動強度、實現生產的現代化管理等等方面都具有重要的作用，是直接提高經濟效益、最具發(fā)展?jié)摿Φ闹卮箢I域。工業(yè)控制機要成功地運行，并產生預期的效益，是一個多因素且頗具難度的系統工程。根據我多年來的工控研究經驗，其抗干擾性能是一個很重要的環(huán)節(jié)。它與工控機應具有一個好的硬件系統結構及有效的控制對策同算法同樣重要，都關系到控制項目的成敗。

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

　　工業(yè)現場種類繁多的加工機械和動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方式作用到工控機系統上，又能通過電源侵入計算機系統造成干擾。而通過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 過壓、欠壓、失壓保護

　　工業(yè)現場的供電品質很差，常常不能達到國家對電網波動等級中規(guī)定的最低標準C級。表1列出了國家標準對電網波動等級的規(guī)定。當供電電壓超過C 級規(guī)定時，通常稱為過壓或者欠壓。而失壓又稱瞬時斷電。產生瞬時斷電，最常見的原因是用電設備突然短路而它的保險絲還沒有熔斷的瞬間。另外開關或刀閘觸點接觸不良或顫抖等也會產生瞬間斷電。瞬間斷電所允許時間國內尚無標準，表2列出了日本《工業(yè)用計算機環(huán)境標準》中規(guī)定的瞬間斷電級別。

　　當過壓或者欠壓超過工控機電源工作范圍時，會使電源失?；蛘邠p壞，直接威脅工控機的安全。而瞬時過壓或者欠壓形成涌流，即使不超過工控機電源的工作范圍，也會造成很強的干擾和破壞性。我們在某鋼廠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過壓或者欠壓（車間400 V低壓側供電）?？朔^壓、欠壓的方法是選用寬電壓范圍的優(yōu)質開關電源，或者外加交流穩(wěn)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 開關電源

　　開關電源是把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、電網電壓寬范圍變化時輸出不易過電壓或欠電壓的優(yōu)點。目前，做得好的開關電源能夠在100 V～300 V寬范圍正常工作，完全不需要再使用交流穩(wěn)壓器。由于結構上的優(yōu)勢，開關電源抗雷擊的能力比普通電源強，抗電網１個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)質的開關電源，而不應當再使用傳統的變壓器降壓電源。

　　1.2 交流穩(wěn)壓器

　　交流穩(wěn)壓器的類型和產品都很多，有電子式、鐵磁諧振式、分接開關式、伺服調整式和電源凈化器等等。它們的共同特點是把電網電壓波動±10％甚至±15％的范圍穩(wěn)定到±1％～±2％以內。選用時應優(yōu)選具備抗電網干擾能力，或者原、副邊具有隔離的類型。例如電源凈化器（也稱凈化電源），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、過壓、欠壓等干擾有極好的動態(tài)響應。鐵磁諧振方式的交流穩(wěn)壓器有很好的電網抗干擾能力和原、副邊隔離，可靠性很高，只是它的動態(tài)響應較差。計算機控制系統使用這兩種類型的交流穩(wěn)壓器效果較好。

　　1.3 UPS（Uninterruptible Power System）

　　UPS，即不間斷電源。UPS最適合的應用領域是電網突然掉電，而計算機不能停止工作或者需要一個充足的時間保護重要數據的場合。隨著技術的進步，目前的UPS除了不間斷供電之外，還具備過壓、欠壓保護功能，軟件監(jiān)控功能等等。其中在線式的UPS還具備與電網隔離、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，電子開關K接到觸點1上，工控系統由UPS逆變供電，一旦UPS發(fā)生故障，電子開關K立即轉換到觸點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(wěn)定干凈，完全隔離了工業(yè)現場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，開關由1切換到2位置時，不會引起大的干擾。

圖1 工業(yè)控制系統使用UPS的正確方法

　　2 電網尖峰脈沖干擾的防治

　　工業(yè)現場的電網污染嚴重。但對工業(yè)控制機來說，危害最嚴重的是電網尖峰脈沖干擾。圖2示出了尖峰脈沖的形狀。在煉鋼廠、 軋鋼廠或者大量使用晶閘管設備、電火花設備、電力機車等地方，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，會破壞工控機開關電源輸入濾波器、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效。但電容C1、C2、C3卻對其有一定的衰減。目前這類產品繁多，大多數按IEC/CISPR №。17出版物的規(guī)定指標生產。例如常州堅力電子有限公司生產的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，價格便宜，但效果一般。

圖3 典型的電源濾波器電原理圖