工控系統(tǒng)的電源抗干擾技術(shù)分析

引言

　　計(jì)算機(jī)用于工控自動(dòng)化，對(duì)于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量、節(jié)約能源和材料、保障生產(chǎn)安全和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理等等方面都具有重要的作用，是直接提高經(jīng)濟(jì)效益、最具發(fā)展?jié)摿Φ闹卮箢I(lǐng)域。工業(yè)控制機(jī)要成功地運(yùn)行，并產(chǎn)生預(yù)期的效益，是一個(gè)多因素且頗具難度的系統(tǒng)工程。根據(jù)我多年來(lái)的工控研究經(jīng)驗(yàn)，其抗干擾性能是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。它與工控機(jī)應(yīng)具有一個(gè)好的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及有效的控制對(duì)策同算法同樣重要，都關(guān)系到控制項(xiàng)目的成敗。

　　工業(yè)控制機(jī)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(xiàn)場(chǎng)種類繁多的加工機(jī)械和動(dòng)力設(shè)備的啟停運(yùn)轉(zhuǎn)如電焊和電火花加工、晶閘管調(diào)壓、變頻設(shè)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(jī)系統(tǒng)上，又能通過(guò)電源侵入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(jī)被干擾的絕大比例。雷擊對(duì)工控機(jī)造成的干擾和破壞，大多數(shù)也是從電源入侵的。因此，要提高工業(yè)控制系統(tǒng)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(hù)

　　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的供電品質(zhì)很差，常常不能達(dá)到國(guó)家對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)等級(jí)中規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)C級(jí)。表1列出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)等級(jí)的規(guī)定。當(dāng)供電電壓超過(guò)C 級(jí)規(guī)定時(shí)，通常稱為過(guò)壓或者欠壓。而失壓又稱瞬時(shí)斷電。產(chǎn)生瞬時(shí)斷電，最常見(jiàn)的原因是用電設(shè)備突然短路而它的保險(xiǎn)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(guó)內(nèi)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，表2列出了日本《工業(yè)用計(jì)算機(jī)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的瞬間斷電級(jí)別。

　　當(dāng)過(guò)壓或者欠壓超過(guò)工控機(jī)電源工作范圍時(shí)，會(huì)使電源失常或者損壞，直接威脅工控機(jī)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(jī)電源的工作范圍，也會(huì)造成很強(qiáng)的干擾和破壞性。我們?cè)谀充搹S的控制項(xiàng)目的安裝調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，煉鋼電爐的電極升降，或者大電機(jī)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(cè)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(wěn)壓器、UPS電源以及在工控機(jī)內(nèi)設(shè)置欠壓、掉電保護(hù)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(diào)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?jì)算機(jī)所需要的多種直流電壓輸出。由于甩掉了傳統(tǒng)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(wěn)壓器。由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)關(guān)電源抗雷擊的能力比普通電源強(qiáng)，抗電網(wǎng)１個(gè)周期內(nèi)的失壓能力也比普通電源強(qiáng)。因此，工業(yè)控制機(jī)應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的開(kāi)關(guān)電源，而不應(yīng)當(dāng)再使用傳統(tǒng)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(chǎn)品都很多，有電子式、鐵磁諧振式、分接開(kāi)關(guān)式、伺服調(diào)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(wěn)定到±1％～±2％以內(nèi)。選用時(shí)應(yīng)優(yōu)選具備抗電網(wǎng)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(duì)半周失壓、過(guò)壓、欠壓等干擾有極好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。鐵磁諧振方式的交流穩(wěn)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(yīng)較差。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)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(yīng)用領(lǐng)域是電網(wǎng)突然掉電，而計(jì)算機(jī)不能停止工作或者需要一個(gè)充足的時(shí)間保護(hù)重要數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。隨著技術(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(hù)功能，軟件監(jiān)控功能等等。其中在線式的UPS還具備與電網(wǎng)隔離、強(qiáng)抗干擾特性，是高可靠性控制系統(tǒng)的最佳選擇。圖1示出了工業(yè)控制系統(tǒng)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(tǒng)由UPS逆變供電，一旦UPS發(fā)生故障，電子開(kāi)關(guān)K立即轉(zhuǎn)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?yàn)閁PS逆變的輸出電壓非常穩(wěn)定干凈，完全隔離了工業(yè)現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)的電網(wǎng)污染嚴(yán)重。但對(duì)工業(yè)控制機(jī)來(lái)說(shuō)，危害最嚴(yán)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、 軋鋼廠或者大量使用晶閘管設(shè)備、電火花設(shè)備、電力機(jī)車(chē)等地方，這種尖峰干擾為害尤厲。其幅度大的可達(dá)數(shù)百伏甚至上千伏，而脈寬一般為μS數(shù)量級(jí)。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(jī)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(jì)算機(jī)造成干擾。對(duì)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(duì)共模形式的干擾呈現(xiàn)很大的阻抗，而對(duì)工頻和常模形式的干擾電感為零。因此對(duì)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(duì)其有一定的衰減。目前這類產(chǎn)品繁多，大多數(shù)按IEC/CISPR №。17出版物的規(guī)定指標(biāo)生產(chǎn)。例如常州堅(jiān)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(duì)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