關(guān)于電源抗干擾技術(shù)在工控設(shè)計中的應(yīng)用分析和介紹

計算機(jī)用于工控自動化，對于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量、節(jié)約能源和材料、保障生產(chǎn)安全和減輕勞動強(qiáng)度、實現(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)要成功地運行，并產(chǎn)生預(yù)期的效益，是一個多因素且頗具難度的系統(tǒng)工程。根據(jù)我多年來的工控研究經(jīng)驗，其抗干擾性能是一個很重要的環(huán)節(jié)。它與工控機(jī)應(yīng)具有一個好的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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)場種類繁多的加工機(jī)械和動力設(shè)備的啟停運轉(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方式作用到工控機(jī)系統(tǒng)上，又能通過電源侵入計算機(jī)系統(tǒng)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(jī)被干擾的絕大比例。雷擊對工控機(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 過壓、欠壓、失壓保護(hù)

工業(yè)現(xiàn)場的供電品質(zhì)很差，常常不能達(dá)到國家對電網(wǎng)波動等級中規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)C級。表1列出了國家標(biāo)準(zhǔn)對電網(wǎng)波動等級的規(guī)定。當(dāng)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(chǎn)生瞬時斷電，最常見的原因是用電設(shè)備突然短路而它的保險絲還沒有熔斷的瞬間。另外開關(guān)或刀閘觸點接觸不良或顫抖等也會產(chǎn)生瞬間斷電。瞬間斷電所允許時間國內(nèi)尚無標(biāo)準(zhǔn)，表2列出了日本《工業(yè)用計算機(jī)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的瞬間斷電級別。

表1 國標(biāo)電壓波動等級表

電壓等級

A級

B級

C級

波動范圍

≤±5%

-10%～+7%

≤±10%

表2 日本瞬時斷電級別表

瞬時斷電級別

A級

B級

C級

瞬時斷電時間范圍

＜3 ms

≤10 ms，或≤1/2周期

＜200 ms

當(dāng)過壓或者欠壓超過工控機(jī)電源工作范圍時，會使電源失?；蛘邠p壞，直接威脅工控機(jī)的安全。而瞬時過壓或者欠壓形成涌流，即使不超過工控機(jī)電源的工作范圍，也會造成很強(qiáng)的干擾和破壞性。我們在某鋼廠的控制項目的安裝調(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過壓或者欠壓（車間400 V低壓側(cè)供電）?？朔^壓、欠壓的方法是選用寬電壓范圍的優(yōu)質(zhì)開關(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 開關(guān)電源

開關(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，通過高頻變壓器隔離變換，再整流變?yōu)橛嬎銠C(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)電壓寬范圍變化時輸出不易過電壓或欠電壓的優(yōu)點。目前，做得好的開關(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，開關(guān)電源抗雷擊的能力比普通電源強(qiáng)，抗電網(wǎng)１個周期內(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、分接開關(guān)式、伺服調(diào)整式和電源凈化器等等。它們的共同特點是把電網(wǎng)電壓波動±10％甚至±15％的范圍穩(wěn)定到±1％～±2％以內(nèi)。選用時應(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，對半周失壓、過壓、欠壓等干擾有極好的動態(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，只是它的動態(tài)響應(yīng)較差。計算機(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）