引言
分散控制系统(DCS)应用于工业过程的控制，其电气环境相当恶劣，因此抗电磁干扰能力是DCS在实际应用中的重要性能，直接关系到系统的准确性和可靠性。严格说来，DCS的抗干扰性能应通过电磁兼容性(EMC)试验进行测试和评价，例如静电抗扰度、传导干扰抗扰度、辐射干扰抗扰度、浪涌电压抗扰度试验等，但这对实际运行中的DCS往往无法实现，一方面，这类试验需要专门的环境和复杂、昂贵的测试设备，还需对各部件进行独立的测试，这在工业现场环境中无法满足;另一方面，部分EMC试验对被试设备可能具有破坏性，这对于运行中的DCS也是不允许的。因此，运行中DCS的抗干扰性 能测试应从实际应用角度出发，选择一些重要、实用，且易于在现场测试的参数来进行测试和评价。
在DL/T659-2006《火力发电厂分散控制系统验收测试规程》(以下简称《规程》)中，就是通过几个实用的测试项目来对DCS的抗干扰能力进行评价和规定的，如抗射频干扰能力的测试、电缆的检查、现场引入干扰电压的测试等。这几个项目的实用性和可操作性都很强，但笔者认为，从抗电磁干扰性能评价的角度看，《规程》所拟定的测试项目还不够全面，个别项目的测试方法也值得商榷。本文从实际应用角度出发，对DCS应具备的主要抗干扰性能和参数进行分析，并据此对《规程》中DCS抗干扰性能测试的方法进行补充和完善。
由于电磁干扰的存在必须具备3个条件，即干扰源、干扰传播途径及干扰敏感体，系统对电磁干扰的抑制能力也相应表现在这3个方面，现从这3方面来分析反映DCS抗干扰性能的参数，并探讨其相应的测试方法。
一、干扰敏感体的抗干扰性能 提高DCS部件本身的抗干扰能力即从干扰敏感体入手来抑制干扰，使DCS受到干扰时产生的影响尽可能变小。在DCS中，测量模件与外部系统和设备联系最密切，因此也最容易受到干扰的影响，在分析DCS抗干扰性能时也主要以测量模件的抗干扰性能来进行评价。
1.1 模拟量测量通道的共模抑制比和串模抑制比 电磁干扰的种类很多，但各种干扰作用到电子系统不外乎2种方式，即共模方式和串模方式，因此DCS的模拟量(AI)模件应具有一定的抑制共模干扰和串模干扰的能力，表现在技术参数上就是其AI通道的共模抑制比(CMR)和串模抑制比(NMR)参数，这2个参数也是衡量电子测量仪器抗干扰能力的重要指标，几乎所有型号的DCS都给出了其AI模件的共模抑制比和串模抑制比参数。《规程》没有规定对AI模件的抑制比参数进行测试，这是《规程》的一个不足之处。笔者曾对多种型号DCS的AI模件进行过共模抑制比和串模抑制比参数的测试，确实发现有的模件不能满足其技术指标的要求。
共模抑制比又分为直流共模抑制比和交流共模抑制比2种，分别表征测量通道抗直流和交流共模干扰能力的大小，可用符号CMR
d和CMR
a表示(单位为分贝，dB)，一般测量电路的共模抑制比应达到60-90dB，抗干扰能力强的应达到120dB以上。图1为共模抑制比参数测试的接线示意，给通道输入一个稳定信号，在通道负端对地间加入直流(或交流)共模干扰信号U
cd(或U
ca)，并逐渐增大直到通道显示值产生明显的变化量△U,按式(1)、(2)可计算出直流和交流共模抑制比。
式中:U
cd和U
ca分别为直流干扰信号的大小和交流干扰信号的峰峰值;△U为此干扰电压对测量示值所产生的影响量。
当测试交流共模抑制比时，考虑到工业现场50Hz工频干扰的普遍性，可采用50Hz的交流电压来模拟干扰信号。
串模抑制比表征了测量回路对串联引入回路的交流干扰的抑制能力，可用符号NMR表示(单位为分贝，dB)。一般测量电路的串模抑制比应大于40dB，抗干扰能力强的应达60dB以上。串模抑制比测试接线如图2所示，选取某被测的电压型测量通道，给通道输入一个稳定信号，逐渐增大串模干扰信号，直到测量示值产生明显变化，根据此时显示值的变化量△U和干扰的峰峰值Un，按式(3)即可计算得到被测通道的串模抑制比，测试时同样可选取50Hz交流信号作为干扰信号。
式中:U
n为干扰电压峰峰值;△U为此干扰电压对测量示值产生的影响量。
1.2 开关量输入通道的噪声容限 开关量输入(DI)通道内部可看成一个电压比较器，用于对外部接点的通断状态进行测量。采用了类似数字电路直流噪声容限的参数对DI通道的抗干扰能力进行评价。对于DI通道，最关心的是当通道处在某种状态时，通道能容许多大的噪声电压迭加在输入信号上而不致使输出状态产生改变，因此可用通道外部电压变化的容许值来表示DI通道的噪声容限。
DI通道噪声容限的测试接线如图3所示，设DI通道的查询电压为V
c。先考虑闭合状态的噪声容限测试方法。首先调节电阻器使R
t＝0Ω,DI通道处于闭合状态，R
t上的电压V
R=0V，然后逐渐增大电阻器电阻直到通道变为断开状态，设此时电阻器上的电压值V
R=V
OFF。这表明，在闭合状态时，通道容许其输入电压从0V变化到V
OFF而不会使通道状态发生改变，因此这2个电压之差即V
OFF就是通道在闭合状态下的噪声容限值，它表示通道在闭合状态工作时所允许的干扰电压值。
通道断开状态的噪声容限测试方法与闭合状态时的测试方法类似，先将电阻器断开，使DI通道处于断开状态，R
t上的电压V
R=V
c，再逐渐减小电阻器电阻直到通道变为闭合状态，此时电阻器上的电压值V
R＝V
ON。这说明在通道处于断开状态时，容许通道的输入电压从V
C减小到V
ON而不致使通道状态产生变化，因此前后2个电压之差V
C－V
ON就是通道在断开状态时的噪声容限值。
1.3 系统抗射频干扰能力 在以上的分析中，干扰信号都是低频缓变信号，而高频的电磁干扰多以空间辐射方式作用到敏感设备上，对DCS抗电磁辐射干扰的能力也应进行相应的评价。要定量评价系统的抗射频干扰能力应采用EMC试验中辐射抗扰度测试的方法，但如前所述，这种方法需要专门的环境和设备，无法在现场环境下实施，因此从实用性出发，一般可采用步话机发射的信号来模拟干扰源，定性地考察射频干扰对系统的影响程度。《规程》也采用此方式进行测试，具体方法可参考《规程》中的说明。
二、干扰传播途径的抗干扰性能 对电磁干扰的传播路径进行阻断也是抑制干扰影响的一个重要方法，在工业控制中经常采用屏蔽、接地、隔离及测量端浮置等技术，在DCS的应用中也是如此。隔离与测量端浮置技术的一个主要用途就是提高测量模件的共模抑制比，其效果已体现在共模抑制比的测试结果中。因此，这里主要指DCS正确的屏蔽和接地方法及其实施。
2.1 屏蔽与接地 几乎各类DCS都对其信号电缆的屏蔽、接地等方面作了规定，以使系统能按设计要求最大程度地抑制干扰信号。一些常见的要求包括:信号电缆应采用屏蔽电缆，与动力电缆分开敷设;因测量回路信号为低频信号，故信号及屏蔽均应采用"一点"方式接地;许多DCS出于"一点接地"考虑，要求DCS机柜与建筑基础绝缘，柜内一般应至少分别设置信号地和保护地，2个地排通过接地电缆在电子间总接地地排处连接，再由此连接到接地装置，这种结构可有效减少信号接地与保护接地间的公共阻抗，可同时兼顾施工的便利性和"一点接地"的要求;整个接地电阻也应尽量减小(一般规定不超过2Ω)，以避免接地阻抗上引入的共模干扰。部分DCS在屏蔽与接地方式上出于其他如防雷等因素的考虑，可能会有一些其他要求，如实施等电位连接、采用共用接地方式等。
2.2 系统屏蔽与接地方式的检查 鉴于屏蔽与接地对系统抗干扰性能的重要影响，对系统的屏蔽与接地方式进行检查也应是DCS抗干扰性能测试的项目之一。检查应以DCS的技术要求和国家及行业的技术标准、规范作为判断依据，当DCS制造商所规定的技术要求和上述技术标准、规范有差异甚至矛盾时，应请制造商对此差异或矛盾进行说明和解释，并判断其合理性与正确性。结合笔者的经验，这些检查主要可包含如下内容。
(1)检查引入DCS电缆的规格是否符合要求，如是否采用屏蔽电缆，电缆是否具备防火特性等。
(2)检查电缆敷设情况是否符合要求，如是否分层敷设，是否与动力电缆分开，电缆槽(盒)是否有等电位连接要求等。
(3)检查系统接地方式是否符合要求，着重检查信号地、保护地和屏蔽层接地的方式是否符合相关要求，如对有"一点接地"要求的系统应检查机柜内信号地排和保护地排是否独立设置，各类接地排上接入的地线种类是否正确，与相邻机柜串联接地时所串入的机柜数量是否满足要求等。
(4)检查各级接地电缆是否为绝缘电缆，其芯线的横截面积是否满足DCS说明书要求。
(5)对机柜与基础的安装方式及机柜内各部件框架的安装方式进行检查，很多要求"一点接地"的系统都要求机柜对基础保持绝缘，机柜内部件的框架也要求和机柜保持绝缘，以此加强"一点接地"的效果。
(6)必要时应对系统所要求的绝缘性能进行测试验证，如机柜与安装基础之间的绝缘性能、接地电缆的绝缘性能、信号地与保护地之间的绝缘性能等。
(7)必要时对系统总接地电阻进行测试验证。
三、干扰源的影响 严格说来，干扰源对DCS的影响并不属于DCS本身抗干扰能力的范畴，与系统抗干扰能力的大小也没有必然联系，但引入到系统的干扰信号的大小与系统实际受影响的程度还是密切相关的。在一定的抗干扰能力下，干扰信号越大，对系统的影响也越大，即便是抗干扰能力很强的系统，在较强的干扰信号作用下仍会产生一定的影响，因此对干扰源作用到系统的大小进行测试还是很有意义的。通过测试，可检查实际干扰的大小，决定是否采取专门的抗干扰措施，例如，若测试发现引入系统的串模干扰较大，则可考虑针对噪声频段增加滤波器件，若发现共模干扰较大，则可考虑加装隔离装置等。在实际的工业环境中要确定具体的干扰源往往比较困难，但引入系统的干扰信号一般是可测量的，另外从实用性考虑，选取电压信号进行测量可不用断开被测回路的连接线，操作更加方便，因此可通过测试现场引入的干扰电压来反映干扰源影响的大小。
《规程》中采用了现场引入干扰电压的测试项目，并对测试方法和结果的允许范围作了规定。在具体测试方法上，主要对AI模件的共模和串模干扰电压进行了测量，《规程》认为可与模拟量信号精度测试同时进行，但精度测试一般是在机组处于停机状态时进行的，而为了得到在实际工况下现场引入干扰电压的大小，显然应在机组运行时进行测试，因为只有在各外部设备处于运行状态时，各种干扰才能充分表现出来，这种情况下的测试结果才对实际运行具有指导意义。
在测试结果合格性的判定方法上，《规程》要求实际串模干扰电压所引起的通道误差应满足：
式中:U
N%是测量回路中交流分量(峰峰值)与被测信号量程之比;NMR为通道的串模抑制比。
式(4)可由式(3)变形得出，不等式(4)的左边实际为测量示值在干扰电压U
n作用下产生的附加误差△U，只是除以通道量程后转换成了误差的引用形式。《规程》规定了该误差应不大于通道量程的0.05%。从误差角度看这是合理的，可以这样考虑，当AI通道测量精度为0.25%时已可满足现场测量的要求，干扰产生的误差若低于0.05%，说明其影响量只占通道允许误差的1/5，属于微小误差，可忽略其影响。
《规程》又规定"实际共模干扰电压值应小于输入模件抗共模干扰电压能力的60%"，笔者认为这种提法不太准确。一般DCS厂家并不会给出测量模件"抗共模干扰电压能力"这个参数，而只是给出共模抑制比和最大可承受的共模电压等参数，因此在应用中很难采用其作为判断准则。
对于实际共模干扰电压的要求，笔者认为也可采用与串模干扰电压相同的判定形式，因为二者都表现为对测量通道误差的影响。对于实际共模干扰电压也可要求其满足:
式中：U
C%为现场共模电压（交流时为峰峰值）与被测信号量程之比；CMR为通道的共模抑制比。
四、结语 能够反映运行中DCS抗干扰性能的测试项目有:AI通道共模抑制比测试、AI通道串模抑制比测试、DI通道直流噪声容限测试、系统屏蔽与接地检查、抗射频干扰测试和现场引入干扰电压测试。与《规程》相比，本文增加了对AI通道共模和串模抑制比及DI通道噪声容限的测试，完善了对现场引入干扰电压的测试方法，因此可更全面地反映DCS的抗干扰性能。另外，《规程》将电源适应能力测试也作为DCS的抗干扰性能测试项目，笔者认为电源部分的干扰主要是以浪涌形式表现的，因此，将DCS对电源小幅变化的无故障特性归类为系统容错功能似乎更合适。在按本文方法对DCS抗干扰性能进行的多次测试中发现了部分DCS存在的问题，如共模和串模抑制比参数不符合厂家技术要求，接地方式混乱，现场引入干扰电压过大等，这也证明了本测试方法的可行性和有效性。