1 引言
电磁干扰对控制系统的可靠性,稳定性构成很大隐患。如何防止电磁干扰,提高系统可靠性是大*普遍关注的问题。本文针对某水厂变频控制系统中涉及的变频器、流量计等设备的电磁干扰问题进行分析,给出抗干扰措施,实际运行结果表明经过抗干扰处理后,系统通讯正常,稳定性和可靠性大大提高。
2 变频控制系统概述
水厂设有1个总站,8个分站组成。总站与分站之间采用*线传输、轮询方式通讯。每个分站均由*台PLC管理，负责与多台变频器通讯，实现对相关设备的控制和对模拟量的处理。系统结构框图如图1所示。电台及PLC(可编程逻辑控制器)的供电电源分别来自于经控制变压器隔离的AC 220V和DC 24V。PLC与变频器通过RS-485总线通讯,从而实现对泵的变频调速,河南变频器维修恒压供水。
图1 水厂控制系统框图
3 干扰分析
根据电磁的基本原理，形成电磁干扰（EMI）须具备三要素：电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。因此，*般从抗和防两方面入手来抑制干扰，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统干扰信号的敏感性[1]。结合水厂实际情况，对干扰的三要素进行分析。
3.1 电磁干扰源
（1）变频器干扰
变频器是控制系统实现变频恒压供水的*关键部分。变频器输入部分是整流电路，输出部分是逆变电路，它们都是由起开关作用的非线性元件组成。运行过程中，非线性元件要进行快速开关动作，产生高次谐波，从而使变频器输入电源和输出的电压波形和电流波形产生畸变，进而对其他设备和控制电路中的*测元件和控制器件产生干扰[2][3]。
（2）电磁流量计干扰
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的*种测量导电性液体体积流量的仪表，其基本工作原理是电磁感应定律[4]。因此电磁耦合、静电感应是电磁流量计产生干扰噪声的重要来源[5]。在电磁流量变送器中，由于两电*的引线处于交变磁场中，当变送器通电后，在引线的闭合回路内就产生出感应电动势[4]。这种干扰信号叠加到测量信号中，影响系统的运行。电磁流量计以数字脉冲量的形式输出累计流量，输出信号设有源和*源，本系统中，设为DC 24V的有源输出[6]。所以若与其他直流电源共地将产生干扰。
3.2 电磁干扰途径
为了抑止干扰源对其他设备、*测元件、控制设备的干扰，必须从传播途径上将干扰切断。*般而言，电磁干扰传播的三个主要途径为辐射、传导、感应耦合。
（1）辐射
干扰以电磁干扰方式向空中幅射，辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。对于高频谐波而言，辐射是其主要的传播方式[3]。变频器作为主要的干扰源，在运行过程的输出电压、输出电流含有大量的高次谐波，开关器件所作的高速切换使辐射更加严重[7]。
相对于变频器而言，电磁流量计由于不用作高速切换，作为数字输出的累计脉冲流量，其输出的直流电压不超过24V,且脉冲速度不快。因而其电磁辐射强度小。
（2）传导
电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其它电路。与辐射干扰相比，传导干扰传播的路程可以更远[7]。
（3）感应耦合
感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射有限，该干扰源不直接与其它导体连接，但此时的电磁干扰能量可以通过干扰源输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体产生感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压[1]。
感应耦合以导体间的电容耦合的形式出现，也可以电感耦合的形式或电容、电感混合的形式出现，因而有电流耦合、电感耦合、电容耦合[8]。感应耦合与干扰源的频率、与相邻导体的距离以及设备供电电路等因素有关[3][8]。
3.3 对电磁干扰敏感的系统
电磁干扰的存在影响设备的正常运行，对于敏感系统而言，电磁干扰将导致其发生致命性错误。本变频控制系统，当干扰严重时，导致PLC发出错误的控制命令，并使编程通讯中断；同时干扰*线数传电台，使其发送信号出错；对于敏感的电子设备，强干扰会使设备*法运行甚至损坏，如作为通讯转换使用的RS-485-RS-232转换器就出现多次损坏现象。
从电磁干扰的三要素来研究抗干扰措施是有效的途径。
4.1 干扰源的抗干扰
对于干扰源，*般采用屏蔽、接地等措施将干扰源的电磁干扰向外传播的可能性给切除。
4.2 传播过程的抗干扰
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对于辐射干扰，采用屏蔽线或穿管走线可以很好地降低辐射干扰，�*敕湓匆彩强垢扇诺�*种有效办法。
耦合通过合理布线、有效屏蔽以及可靠接地等，可以大大提高抗干扰能力。
4.3 对电磁干扰敏感系统的抗干扰
对电磁干扰敏感的系统，如通讯系统、PLC等控制系统，采用屏蔽及洁净*污染的电源供电能提高其抗干扰性能。
5 水厂变频控制系统的抗干扰分析及解决措施
在分析变频控制系统特点及电磁干扰原理的基础上，结合调试情况，分析了干扰原因并给出相应的抗干扰措施。
5.1 变频器抗干扰
实例1：*台PLC与2台变频器组成的控制网络，如图1所示。当变频器停止时，系统通讯正常。单台变频器与PLC通讯正常。两台变频器接入通讯网络后则系统通讯不正常。不能读取任何数据，拆除PLC中*模拟量信号并将供电电源隔离，通讯还不能建立。
措施：变频器产生的干扰传到通讯网络。将通讯电缆屏蔽层单侧接地，系统不能建立通讯，改成双端接地，通讯正常，系统稳定。分析原因：变频器产生高频磁场干扰信号，在信号线中感应电流，形成干扰，若电缆不接地或单端接地，不能将高频干扰泻放。将屏蔽层双端接地后，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，在屏蔽层与地线中也构成回路产生感应电流Is，同时导体中也产生了感应电流Is，但是这个电流与磁场在信号导体中感应的噪声电流方向是相反的。这样就可以抵消磁场在信号导体上产生的噪声电流，起到屏蔽作用。屏蔽层两端接地抑止外界磁场干扰的原理如图2所示[9]:
图2 通讯电缆屏蔽层两端接地
当屏蔽层的两端地电位不同或有外界磁场时，在屏蔽层中产生电流Is，这时，信号回路的电压方程为：
其中，从自感定义知道：L=φ/I，由互感定义知道：M=φ/I，所以M=Ls，所以通过屏蔽层两端接地可以抑止干扰。但是通过屏蔽层接地也引入了噪声电压RsIs，将电缆屏蔽层和信号地线分开，可以消除这种噪声对系统的影响。
实例2：在7＃变频柜内（PLC和变频器处在同*控制柜），当变频器未运行时，系统通讯正常。变频器运行，干扰严重，上位机与PLC通讯中断，并且PLC有异常输出信号。变频器时启时停。拆除PLC中*模拟量信号及开关量信号，使PLC只与变频器相连，系统依然*法正常通讯。
措施：PLC供电电源受到干扰，对PLC采取隔离供电的同时调整供电电源布线，通讯有所改善，但仍存在干扰。后将PLC接地线拆除，系统通讯良好。分析原因：变频器产生的谐波干扰传导到24VDC供电电源，同 时通过感应耦合干扰了供电电源线，控制系统不能正常通讯。经隔离供电电源，有效地抑止了传导干扰，缩短供电线路，使走线垂直于变频器输入输出线，减少耦合干扰。处理后系统通讯改善，但仍不能稳定工作，后将PLC接地线拆除，系统通讯良好。
原因：系统采用三相四线制供电，由于没有*立的地线，改动前的PLC地线其实是接到了三相四线制的零线上，PLC地线有浮动电压存在，干扰严重，如图3所示[9]。系统运行时，A点电位为：，B点电位为：，电控系统中水泵等大功率设备的存在，当负载不平衡时，零线电流很大，相对而言，PLC的地线电流很小，基本可以忽略，B点电压影响大。PLC地线悬空后，切除大功率设备对PLC的影响，通讯正常。
图3 串连单点接地
5.2 流量计干扰
实例：电磁流量计输出为4～20mA的电流信号和DC 24V的数字脉冲信号。系统工作时，电台有微弱的发射信号，PLC通讯受到较弱的干扰，拆除瞬时流量信号，干扰依然存在。把脉冲信号从PLC上移除，干扰消失。走线布置如图4所示。
图4 电源布线改动图
分析原因：PLC输入走线，电磁流量计的脉冲信号的M端和24V直流供电电源的M端共用，对于脉冲信号，其DC 24V电源由流量计供电，不同电源共地使系统工作不稳定。流量传感器的交变励磁在传输线上产生耦合干扰，流量计输出的脉冲信号含有大量的谐波成分,这些干扰通过输出线传导出来,24V直流电源M端和脉冲信号线M端共用,把干扰传导到供电电源220VAC,电台供电电源来自于AC 220V交流电源,因而也干扰了*线数传电台。
6 结束语
分析系统的干扰原因，给出合理有效且经济实用的抗干扰措施，系统经过半年多的现场运行表明干扰大大降低，系统通讯基本正常，误动作消除。但是有时还出现通讯滞后现象，要想进*步提高抗干扰能力，需要再增加*些抗干扰设备，如增加滤波环节，完善接地系统等。