工控系统的电源抗干扰技术分析

引言

　　计算机用于工控自动化，对于提高产品的产量与质量、节约能源和材料、保障生产安全和减轻劳动强度、实现生产的现代化管理等等方面都具有重要的作用，是直接提高经济效益、最具发展潜力的重大领域。工业控制机要成功地运行，并产生预期的效益，是一个多因素且颇具难度的系统工程。根据我多年来的工控研究经验，其抗干扰性能是一个很重要的环节。它与工控机应具有一个好的硬件系统结构及有效的控制对策同算法同样重要，都关系到控制项目的成败。

　　工业控制机抗干扰技术主要包含：①电源抗干扰技术；②屏蔽和接地抗干扰技术；③输入/输出通道抗干扰技术；④通信抗干扰技术；⑤软件抗干扰技术。本文主要讨论电源抗干扰技术。

　　工业现场种类繁多的加工机械和动力设备的启停运转如电焊和电火花加工、晶闸管调压、变频设备等等，都是干扰源。这些干扰源既能以电磁场方式作用到工控机系统上，又能通过电源侵入计算机系统造成干扰。而通过电源造成干扰是最直接的，甚至是破坏性的，占工业控制机被干扰的绝大比例。雷击对工控机造成的干扰和破坏，大多数也是从电源入侵的。因此，要提高工业控制系统的抗干扰性能，首先要在电源上下功夫。

　　1 过压、欠压、失压保护

　　工业现场的供电品质很差，常常不能达到国家对电网波动等级中规定的最低标准C级。表1列出了国家标准对电网波动等级的规定。当供电电压超过C 级规定时，通常称为过压或者欠压。而失压又称瞬时断电。产生瞬时断电，最常见的原因是用电设备突然短路而它的保险丝还没有熔断的瞬间。另外开关或刀闸触点接触不良或颤抖等也会产生瞬间断电。瞬间断电所允许时间国内尚无标准，表2列出了日本《工业用计算机环境标准》中规定的瞬间断电级别。

　　当过压或者欠压超过工控机电源工作范围时，会使电源失常或者损坏，直接威胁工控机的安全。而瞬时过压或者欠压形成涌流，即使不超过工控机电源的工作范围，也会造成很强的干扰和破坏性。我们在某钢厂的控制项目的安装调试中发现，炼钢电炉的电极升降，或者大电机启停，常常造成近百伏的瞬时过压或者欠压（车间400 V低压侧供电）。克服过压、欠压的方法是选用宽电压范围的优质开关电源，或者外加交流稳压器、UPS电源以及在工控机内设置欠压、掉电保护电路等抗干扰措施。

　　1.1 开关电源

　　开关电源是把220 V交流供电直接整流滤波之后，再采用20 kHz 频率的脉宽调制型振荡变换为交流，通过高频变压器隔离变换，再整流变为计算机所需要的多种直流电压输出。由于甩掉了传统的工频变压器，因此具有体积小、效率高、电网电压宽范围变化时输出不易过电压或欠电压的优点。目前，做得好的开关电源能够在100 V～300 V宽范围正常工作，完全不需要再使用交流稳压器。由于结构上的优势，开关电源抗雷击的能力比普通电源强，抗电网１个周期内的失压能力也比普通电源强。因此，工业控制机应选用优质的开关电源，而不应当再使用传统的变压器降压电源。

　　1.2 交流稳压器

　　交流稳压器的类型和产品都很多，有电子式、铁磁谐振式、分接开关式、伺服调整式和电源净化器等等。它们的共同特点是把电网电压波动±10％甚至±15％的范围稳定到±1％～±2％以内。选用时应优选具备抗电网干扰能力，或者原、副边具有隔离的类型。例如电源净化器（也称净化电源），采用大功率的LC滤波器，若在输入端加入3 kV尖峰干扰，在输出端只有低于3 V的输出。除了具有抑制尖峰干扰性能之外，对半周失压、过压、欠压等干扰有极好的动态响应。铁磁谐振方式的交流稳压器有很好的电网抗干扰能力和原、副边隔离，可靠性很高，只是它的动态响应较差。计算机控制系统使用这两种类型的交流稳压器效果较好。

　　1.3 UPS（Uninterruptible Power System）

　　UPS，即不间断电源。UPS最适合的应用领域是电网突然掉电，而计算机不能停止工作或者需要一个充足的时间保护重要数据的场合。随着技术的进步，目前的UPS除了不间断供电之外，还具备过压、欠压保护功能，软件监控功能等等。其中在线式的UPS还具备与电网隔离、强抗干扰特性，是高可靠性控制系统的最佳选择。图1示出了工业控制系统使用UPS的正确方法。正常工作时，电子开关K接到触点1上，工控系统由UPS逆变供电，一旦UPS发生故障，电子开关K立即转换到触点2上，由市电供电。这种正常情况下由UPS逆变供电，市电作为备用的方法是最有效的电源抗干扰方法。因为UPS逆变的输出电压非常稳定干净，完全隔离了工业现场供电电源的各种干扰污染，而且抗雷击效果也较其他的方式好。由于逆变器输出的交流电压与市电同步锁相，因此，开关由1切换到2位置时，不会引起大的干扰。

图1 工业控制系统使用UPS的正确方法

　　2 电网尖峰脉冲干扰的防治

　　工业现场的电网污染严重。但对工业控制机来说，危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰。图2示出了尖峰脉冲的形状。在炼钢厂、 轧钢厂或者大量使用晶闸管设备、电火花设备、电力机车等地方，这种尖峰干扰为害尤厉。其幅度大的可达数百伏甚至上千伏，而脉宽一般为μS数量级。雷电也常以尖峰脉冲方式入侵。尖峰脉冲幅度很大时，会破坏工控机开关电源输入滤波器、整流器甚至主振管。再加之其频谱很宽，也会窜入计算机造成干扰。对尖峰脉冲干扰的防治方法，主要有滤波法、隔离法、吸收法和回避法。

　　 2.1 滤波法

       主要是采用电源滤波器滤除尖峰干扰。图3示出了典型的电源滤波器原理图。L1、L2是绕在同一铁心上的共模轭流圈，对共模形式的干扰呈现很大的阻抗，而对工频和常模形式的干扰电感为零。因此对图2所示的形成常模形式的尖峰干扰无效。但电容C1、C2、C3却对其有一定的衰减。目前这类产品繁多，大多数按IEC/CISPR №。17出版物的规定指标生产。例如常州坚力电子有限公司生产的D、DZ、PC、K、T、F系列的电源滤波器，对共模干扰插入衰减，在10～30 MHz频率范围，可为20～50 dB以上。电源滤波器体积小，价格便宜，但效果一般。

图3 典型的电源滤波器电原理图