基于共用接地的工控系统通信抗干扰技术

张炎

摘 要：多晶硅生产技术中最为成熟的是改良西门子法，其所涉及的高压启动系统，还原系统，隔离柜和转换柜的设计以及SCADA控制系统都属于多晶硅电源系统的重要部分。在实际施工过程中，克服工控系统通信干扰成为了首要问题。我公司通过理论研究、经验转化、方案提出、实验设计、结果验证设计出一套抗干扰能力强、运行稳定可靠的基于共用接地的抗干扰技术，保证了多晶硅电源系统的正常运行，为自动化工控系统的抗干扰布局积累了经验。

关键词：多晶硅电源系统；工控系统；共用接地；耦合干扰；抗干扰技术

中图分类号：TN92 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）18-0019-03

Abstract： The maturest polysilicon production technology is the modified Siemens method， which involves the design of high voltage startup system， reduction system， isolation cabinet and conversion cabinet， as well as SCADA control system， which all belong to the important part of polysilicon power supply system. In the actual process of construction， overcoming the communication interference of industrial control system has become the primary problem. Through theoretical research， experience transformation， scheme proposal， experiment design and result verification， our company has designed a set of anti-interference technology based on common grounding with strong anti-interference ability and stable operation， which ensures the normal operation of polysilicon power supply system. It has accumulated experience for anti-interference layout of automatic industrial control system.

Keywords： polysilicon power supply system； industrial control system； common ground； coupling interference； anti-interference technology

引言

多晶硅半导体材料的研发技术，不仅与电子信息技术产业不可分割，也和光伏产业息息相关。生产出合格的多晶硅材料，要求生产工艺精细严格高标准，生产设备稳定可靠抗干扰。

2016年以来，中国稳坐光伏产业第一大国的交椅，装机总量和增速均为世界第一，对多晶硅依赖严重。据数据统计，2016年多晶硅的进口量占消费量的四成以上，国产化依旧有很大的上升空间。

目前，多晶硅生产最为成熟的首选方式是改良西门子法多晶硅还原法[1]。其原理是采用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD），具体是在高温条件（1100℃左右）下，以高纯硅为核芯，使用还原性强的气体高纯氢对三氯氢硅以此生成对晶硅，再在高纯硅上进行沉积生长，其部分副产物和副产热都可以回收再利用。

在整个CVD过程中，高纯硅芯需要降低其电阻以利于导通。由于室温下高纯硅的电阻率高，需要依靠外部加热技术或者高压启动技术。外部加热技术是将还原炉加热至300℃以上提升硅的导电率，但此加热方法热量分布不均，硅体外部温度明显高于内部，且加热时间长，效率低下，生产的多晶硅纯度受到影响。而采用高压启动技术规避了以上缺点，利用数千伏的高压启动装置使硅芯均匀发热，此种方法加热迅速均一稳定，启动效率得到了提高[2]。

本项目设计的对晶硅还原电源系统即采用了高压启动的方法，设计了启动系统、还原系统、隔离转换系统以及SCADA控制系统。由于动力线路布局密集，其产生的电磁场干扰对于整体的工控系统有着严重的不利影响。

本论文就实际的工程施工中遇到的诸多电磁干扰因素进行研究，通过控制变量法和排除法设计实验，成功完成了技术突破，顺利交付了项目。

1 工控系统通信干扰的因素和常见措施

1.1 干扰产生的原因和种类

随着工业自动化的发展以及对空间利用的不断提高，经常要求在较为狭窄的区域内完成多种设备的安装与调试，这使得电力线路分布密集，在设备的使用开闭使用过程中，产生了大量的电磁场干扰，其产生的主要原因是耦合。耦合指的是多级元件（两个及以上的电路元件）之间的輸出和输入端口之间发生相互作用而传递能量的现象。耦合电磁干扰根据传递方式不同可以分为传导型耦合干扰和辐射型耦合干扰。

工业控制系统中，由于电力线路产生大量干扰，而信号线路往往抗干扰能力弱，故而一般要求远离电力线路单独敷设。工控系统的常见干扰一般是由导线相互耦合而产生。耦合干扰包括：电容耦合干扰，电感耦合干扰，电阻耦合干扰（共用接地的阻抗耦合干扰，共用电源的阻抗耦合干扰）。

1.1.1 电容耦合干扰的产生

电容耦合干扰：常被称作电场耦合，是由于干扰源（噪声源）和受干扰的电路之间有着电容通路，导线之间存在着分布电容（寄生电容），对于并联电路危害大。例如平行导线之间的电容干扰可以抽象为如下模型：

在此模型中，受干扰的敏感导线B和干扰源导线A之间存在着寄生电容CAB，并且将各自导线与大地之间的电容（CAG和CBG）并入考虑，R是受干扰的敏感导体与大地之间的电阻，UBG是受扰导体与大地之间的干扰电压。

如果R阻抗较低，干扰电压可以表示为：

UBG1=kCAB RUA，k=jω

因此电容耦合干扰实际上可以抽象为，在干扰源的作用下，在被干扰的导体与大地之间接入了一个电流源，该电流源的幅度与干扰源的电压UA和寄生电容CAB的乘积有关：

IBG=kUA CAB

CAB与干扰源和受扰导体的距离D与干扰源导体直径d的比值成负相关。因为UA一般不可变，故而可以通过增加距离D一定程度上减小CAB，初始增加距离D效果显著，但当距离D超过一定数值以后，CAB的减小不明显。

如果R阻抗较高，干扰电压则可看作是：

UBG2=

与骚扰电压的ω无关。可以明显看出UBG2>UBG1。

1.1.2 电感耦合干扰的产生

电感耦合干扰：常被称作磁场耦合，是由于导线中电流变化引起的电磁感应现象，从而使另一导线产生了感应电动势，因此制造的耦合干扰，对于串联电路危害大。

干扰源A与受干扰导体B之间的互感为MAB，产生的感应电压

UAB=MAB

其中MAB可以表示为MAB=BScosθ。

1.1.3 共阻抗耦合干扰

共阻抗耦合干扰可以分为共地阻抗耦合干扰和电源内阻抗耦合干扰。

共地阻抗耦合干扰指的是由于地环路的存在，干扰源线路与被干扰线路之间共用接地时，干扰源的输出电流通过共地阻抗在被干扰输入端形成了高压，即接地干扰。电源内阻抗耦合干扰的原理与此相似，不再赘述。

1.2 抗干扰措施

1.2.1 电容耦合抗干扰

根据1.1.1的模型分析，可以通过增加距离D一定程度上减小CAB，初始增加距离D效果显著，但当距离D超过一定数值以后，CAB的减小不明显。该原理的应用即工程线路敷设时，将被干扰的弱信号线和干扰源强信号线的敷设距离增大，因为的比值超过40后减小作用不明显，故而实际铺设的距离D一般取为干扰源导体直径d的40倍，即远离技术。同时，因为平行导线之间的寄生电容最大，故而布线避免平行能有效减少电容耦合干扰。

1.2.2 电感耦合抗干扰

根据1.1.2的模型分析，减小UAB即减小干扰源与被干扰导体的互感，即BScosθ。B值的大小与干扰源导体中的电流大小成正相关，而与干扰源导体和被干扰导体之间的距离D成负相关。故而依然可以采取增大D值的方式减小电感耦合干扰，即远离技术。同时根据公式MAB=BScosθ，避免平行的线路布局仍然可以在很大的程度上减小电感耦合干扰。

1.2.3 共阻抗耦合抗干扰

采用一点接地的方式，即将同级电路中的基极、发射极、集电极的接地端共接地点（实际操作中不可能完全共点，但要是同级电路的接地点尽量集中），这样可以很好地避免其他级回路的干扰，但其只是用于规模较小、电缆长度小的电路。

采用多点接地能适应工作频率更高，电缆线路更长的电路[3]。

采用汇流接地、大面积接地、数模隔离接地以及加粗接地线的方式都能很好地抑制共阻抗耦合干扰[4]。

1.2.4 使用屏蔽体

屏蔽体的使用能更好地抑制耦合干扰。

在电容耦合干扰中，在受干扰导体上加入屏蔽管线，使得受干扰导体暴露在屏蔽体外的部分尽可能小，以减少CAB（CAB与受扰导体延伸部分的长度有关），并且屏蔽管线应有良好的接地，一般采用单点或多点接地。

在电感耦合干扰中，单点接地或不接地并不能使屏蔽体产生额外磁场以改变原有磁分布，故而不能抵抗电感干扰。而使用两端接地的屏蔽体对电感耦合干扰有明显的抑制作用。

1.2.5 使用双绞线

双绞线是由互相绝缘的导线以一定的缠绕密度螺旋缠绕而成。既降低了外磁场的干扰，因其非平行的敷设方式，也降低了传输线之间的互电容。采用平衡式传输的双绞线可以抵抗自身和外部磁场的干扰，具备良好的抗共模干扰的能力[5]。

当工作频率低于100kHz时，双绞线的抗干扰效果良好，但当工作频率高于1MHz时，电路损耗增加，且寄生电容分布增加，双绞线的使用反而增加了干扰[6]。

2 实际项目通信抗干扰技术的实验与分析

本项目的布线环境十分复杂，使用的电器柜数量多，强电弱电系统分布集中，中频低频电路交叉布局，造成的干扰形式复杂，干扰强度强。因此纯理论的分析方法不适用。

为了结局实际布局产生的大量干扰，我们采用了实验的方法，通过控制变量法设立对照组，用排除法排查干扰源，成功解决的实际项目中存在的诸多干扰问题。

2.1 共用接地实验

2.1.1 实验背景

以抗干扰為原则，本项目在方案制定中就采用了远离技术、屏蔽技术、接地设计等诸多抗干扰方式。

方案设计中，进电电缆以绝缘绝热玻璃板隔离，并在电器柜上方架空敷设；控制信号电缆和低压电缆以抗电磁隔离板隔开，敷设在电气柜下方的电缆沟槽之中。

控制柜的分布较为集中，采用以光纤替代网线串联的方式将PLC200串联起来接入PLC400中，形成环网通信通道。光纤为石英绝缘材质，不受电磁波干扰，且传播频率很高，不受低频信号干扰。

接地系统是抗干扰技术的重要一环。

本项目中所涉及共六种接地类型，诸如低压配电系统中性点接地、电气安全保护接地、电子设备直流工作接地和通信电源接地等。接地方式的选择需要综合考虑电气柜的布局、施工过程的复杂工况条件和抑制阻抗耦合等要素：

采用共用一个接地的方式，由于电气柜的数量众多，强电流电路对弱信号产生的共模干扰严重；

采用两个及以上的多点接地，由于接地电位不同，各个接地点之间存在着电位差，对系统产生干扰。

尽管在方案制定期就已经综合考虑了抗干扰的因素，但在项目的实际工程施工中，因为电气环境太过复杂，仍然出现了许多干扰因素，仅仅依靠理论计算和数据分析完全不能胜任干扰的排查和抗干扰措施的处理工作，故而需要设计实验。

2.1.2 实验设计

本着控制变量法的实验精神，对于该项目中复杂接地系统的设计，我们设立了一组对照组和一组实验组。

在相同的实验环境下（保证电磁环境一致以控制變量），使用相同的电气柜，将其分为两部分。实验组电气柜采用共用一个接地的方式，对照组电气柜采用共用多个接地的方式。该实验的变量仅为接地方式的不同。

2.1.3 实验结果及分析

在保证无其他变量参数的干扰情况下。采用共用一个接地的实验组没有出现明显的电磁干扰现象，采用共用多个接地的对照组出现了明显的电磁干扰现象。

分析认为可能由于多个接地点之间存在着电位差，造成了接地干扰，使得整个系统不稳定，出现了电压电流的不定变化。

2.2 远程调试下的工控系统干扰及解决措施

在消除了共用接地干扰的情况之后，远程调试的时候工控系统工作不稳定，存在着电磁干扰现象。在方案设计阶段采用了光纤替代网线的方法已经在一定程度下消除了对控制信号的干扰，故而干扰源头在其余的设备上。在采用排除法检查和分析相关设备的运作情况后，确定了干扰来源。

控制柜中的西门子S7-200PLC与数字控制板之间存在着双绞线屏蔽层，其与数字控制板的供电电源共接在同一端子，并在端子上接地，导致了干扰的产生。

我们将双绞线屏蔽层与数字控制板的供电电源端子断开，使屏蔽层浮空。在经过相应地远程调控检验后，干扰得到了消除。

3 结束语

本次多晶硅还原电源系统项目的顺利交付，是基于团队对于工程标准的严格执行的态度和面对困难的不懈努力、勇于尝试的精神。

通过对复杂电磁环境下工控系统抗干扰技术的探索和研究，用科学的的态度设计方案、发现问题、设计实验、进行试验、验证结果、分析结果，最终问题得到了顺遂的解决。

抗干扰技术的实现，不仅解决了实际项目的问题，为以后的相关项目积累了经验，还完善了解决项目难点的方法论，即便在未来的工程项目中遇到了其他类型更加困难的技术瓶颈，也能够通过科学的态度和严谨的实验进行处理和解决。

参考文献：

[1]曾亚龙，丁国江，廖敏.改良西门子法多晶硅还原新技术研究进展[J].四川有色金属，2009（2）：1-4.

[2]李世振.多晶硅还原炉的电器设备[J].东方电气评论，2010，24（3）：62-68.

[3]孟传良.工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术[J].贵州工业大学学报：自然科学版，1999（1）：70-74.

[4]刘平.地线干扰与抑制对策[J].科技资讯，2009（17）：39.

[5]黄盛霖，孙永芹，姜海勋.基于工控系统的双绞线抗干扰技术及其应用[J].国外电子测量技术，2004，23（6）：42-45.

[6]黄家平，王明皓，臧家左.屏蔽双绞线的干扰耦合特性研究[J].电子测量技术，2009，32（11）：1-3.