測(cè)控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)在工業(yè)控制環(huán)境中的應(yīng)用

郭 瑜

(中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司 鄭州研究院，河南 鄭州450041)

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，各種電子控制裝置如單片機(jī)、可編程序控制器(PLC)、大型集散控制系統(tǒng)(DCS)等，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮日益重要的作用.然而，各種形式的干擾時(shí)常竄入系統(tǒng)作亂，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至出現(xiàn)不必要的事故，干擾問題已成為工業(yè)控制中的突出問題. 因此，在控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，采取必要的抗干擾措施，才能保證系統(tǒng)安全、有效地運(yùn)行.

1 干擾的分類和耦合方式

根據(jù)干擾的形成方式,可以將干擾分為以下幾類：(1)機(jī)械干擾.機(jī)械振動(dòng)或沖擊造成檢測(cè)設(shè)備中的元件產(chǎn)生振動(dòng)或是形變等情況，引起連接導(dǎo)線發(fā)生松動(dòng),或是指針儀表的指針發(fā)生顫動(dòng).(2)熱干擾.在設(shè)備工作的過程中或是環(huán)境升溫所產(chǎn)生的熱，導(dǎo)致元器件的溫度波動(dòng)，引起儀表中電路元件參數(shù)漂移，以至于自控系統(tǒng)工作失常.(3)光干擾.在檢測(cè)裝置中廣泛使用各種半導(dǎo)體元器件，光照使其性能發(fā)生變化，如光照會(huì)使EPROM存儲(chǔ)器件數(shù)據(jù)丟失等. (4)濕度干擾.在環(huán)境濕度較大的條件下，由于絕緣電阻下降，漏電流增大，導(dǎo)致電容器的電容量增大，使電感線圈的Q值(品質(zhì)因數(shù))下降.(5)化學(xué)干擾.當(dāng)工作環(huán)境充斥著酸、堿、鹽等蒸汽時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)腐蝕作用從而造成元器件的損壞或電容等元器件的性能改變.(6)電磁噪聲干擾.電磁的噪聲干擾是普遍存在的，它對(duì)元器件工作性能的影響也最嚴(yán)重，其主要原因?yàn)樵肼曂ㄟ^電路、磁路對(duì)系統(tǒng)和裝置產(chǎn)生干擾，既要抑制和消除來自環(huán)境的電磁干擾，也要抑制和消除來自自控設(shè)備的電磁干擾.干擾的耦合有以下4種方式：(1)電容耦合.(2)電感耦合.(3)漏電流耦合. (4)共阻抗耦合.

從上述干擾形成及分類看，造成干擾有幾個(gè)必要因素：干擾源、干擾途徑、對(duì)干擾敏感性較高的接受器，因此，如果想避免和消除干擾，就需要從這幾個(gè)方面采取一定的預(yù)防保護(hù)措施.在實(shí)際應(yīng)用中，可以從兩方面的設(shè)計(jì)來解決干擾問題，一方面為硬件抗干擾設(shè)計(jì)，另一方面為軟件抗干擾設(shè)計(jì)，其中軟件抗干擾由于比較容易實(shí)現(xiàn)并具有較低成本，因而被廣泛采用.

2 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

2.1 傳輸通道的抗干擾設(shè)計(jì)

傳輸通道主要是指自控系統(tǒng)中輸入接口、輸出接口與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)連接及傳輸?shù)穆窂?由于自控系統(tǒng)是從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)裝置、控制裝置、主機(jī)相互聯(lián)系溝通的一個(gè)龐大復(fù)雜系統(tǒng)，不可避免有長(zhǎng)距離的線傳輸，而長(zhǎng)線傳輸產(chǎn)生的干擾就成為設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題.為了保證長(zhǎng)線傳輸中輸入、輸出接口傳輸信號(hào)的可靠性，根據(jù)干擾源的具體情況，針對(duì)串模干擾或是共模干擾，采用不同的設(shè)計(jì)方法來解決.

2.1.1 針對(duì)串模干擾的設(shè)計(jì)方法. 串模干擾也被稱為常態(tài)干擾，其特征是干擾噪聲是疊加在被檢測(cè)信號(hào)上.針對(duì)于串模干擾，必須要先分析疊加在被檢測(cè)信號(hào)的干擾信號(hào)產(chǎn)生原因及特性，再針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備狀況，采取相應(yīng)的措施.解決串模干擾的設(shè)計(jì)方法如下：

(1)當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率低于串模干擾頻率時(shí)，可在檢測(cè)系統(tǒng)中加入低通濾波器來抑制高頻串模干擾;當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率高于串模干擾頻率時(shí)，可加入高通濾波器來抑制低頻串模干擾;當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率在串模干擾的頻率中間部位時(shí)，則加入帶通濾波器來抑制外側(cè)的串模干擾.在實(shí)際應(yīng)用中，串模干擾頻率的變化會(huì)比被測(cè)信號(hào)快，所以經(jīng)常加載阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò).

(2)對(duì)于尖峰型串模干擾，可加載雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，這樣采集的輸入信號(hào)是平均值而不是瞬時(shí)值，對(duì)干擾具有抑制作用；若采用積分周期等方法，通過積分比較變換后，則對(duì)干擾有更好的抑制效果.

(3)對(duì)電磁感應(yīng)情況下引起的串模干擾，可以對(duì)被測(cè)信號(hào)提前進(jìn)行放大，或是盡快地完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，或采取隔離和屏蔽等措施.

(4)對(duì)來自邏輯器的串模干擾，采用高抗擾度邏輯器件，利用高閥值電平來抑制低噪聲的干擾；也可采用低速邏輯器來抑制高頻干擾，或通過加載電容來降低邏輯電路中的高頻干擾.

(5)信號(hào)引線采用外加屏蔽層的雙絞線，可以減少電磁感應(yīng)，由于雙絞線的輸入阻抗較大，對(duì)干擾信號(hào)的阻抗也會(huì)相應(yīng)較大，可以使在走線過程中的各個(gè)小環(huán)路引起的感應(yīng)電勢(shì)呈反向抵消.由于雙絞線的特性，它的線間分布電容只有十幾pF，對(duì)信號(hào)具有積分作用，對(duì)抑制電磁干擾的效果尤其顯著.

2.1.2 針對(duì)于共模干擾的設(shè)計(jì)方法. 共模干擾也被稱為共態(tài)干擾，其特征是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上共有的干擾.這種干擾有可能為直流電壓，也有可能為交流電壓，其幅值可達(dá)幾伏或幾十伏.解決共模干擾的設(shè)計(jì)方法如下：

(1)采用隔離變壓器將信號(hào)隔離. 對(duì)于交流信號(hào)的傳輸，一般采用變壓器隔離干擾信號(hào)的辦法。隔離變壓器可以阻斷交流信號(hào)中的直流干擾和抑制地坪干擾信號(hào)的強(qiáng)度，把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號(hào)源隔離開來，即將模擬地與數(shù)字地?cái)嚅_，傳輸信號(hào)通過變壓器獲得通路，而共模干擾由于不能構(gòu)成回路被抑制.

(2)采用光電隔離器將信號(hào)隔離. 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在I/O單元、主機(jī)單元、通訊單元之間加設(shè)光電隔離器，可有效防止干擾從過程通道竄入主機(jī).這是因?yàn)楣怆姼綦x有如下特點(diǎn)：首先，發(fā)光二極管和光電三極管封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，不會(huì)受到外界的干擾；其次，由于是靠光傳遞信號(hào)，切斷了各單元電路中地線的聯(lián)系；而且，發(fā)光二極管動(dòng)態(tài)電阻非常小，而干擾源的內(nèi)阻一般很大，傳送到光電隔離器的干擾信號(hào)就變得很小.

(3)在輸入/輸出(I/O)模板的選型上，應(yīng)盡量選用4～20 mA類型的模擬量輸入/輸出模板，避免選用1～5 V類型的，以防止共模干擾.除考慮特殊需要外，盡可能選擇直流電源為24 V、開關(guān)信號(hào)電壓壓差較大、響應(yīng)時(shí)間較慢(10～20 ms)的開關(guān)量模板.

(4)在進(jìn)行硬件的配置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選用共模干擾抑制能力強(qiáng)、精度高的自動(dòng)化儀表和傳感器、變送器；對(duì)遠(yuǎn)離主機(jī)的傳感器、變送器，要考慮選用遠(yuǎn)程模板式適配器，以減小布線帶來的干擾.

2.1.3 長(zhǎng)線傳輸干擾及其抑制方法

(1)選用同軸電纜或雙絞線.同軸電纜對(duì)電場(chǎng)干擾有較好的抑制作用，其波阻抗一般在50～100 Ω之間.雙絞線對(duì)磁場(chǎng)干擾有較好的抑制作用，絞距越短，波阻抗越低，效果越好，一般在100～200 Ω之間.

2.2 系統(tǒng)接地的抗干擾設(shè)計(jì)

在監(jiān)控系統(tǒng)中的地線設(shè)計(jì)尤為重要，地線的型式一般有：數(shù)字地、模擬地、安全地、系統(tǒng)地和交流地.合理有效的接地設(shè)計(jì)能減少系統(tǒng)內(nèi)部噪聲耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力.其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：避免形成接地環(huán)路，消除因公共阻抗所形成的干擾.

系統(tǒng)主機(jī)中數(shù)字電路的零電位稱為數(shù)字地，其接地原則為相同性質(zhì)的直流電源地線才能連接在一起.在傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位稱為模擬地.有時(shí)模擬信號(hào)比較小，而且與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)連接，為了保證其精度，其接地原則為相同性質(zhì)的直流電源地線才能連接在一起. 模擬地應(yīng)與數(shù)字地分開，避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖的干擾.在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，要注意將設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，這被稱為安全地，可以避免機(jī)殼帶電，保障人身及設(shè)備安全. 上述幾種地的最終回流點(diǎn)稱為系統(tǒng)地，直接與大地相連. 對(duì)于自控系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)交流供電電源地稱為交流地，也稱為動(dòng)力線地，由于它的地電位很不穩(wěn)定，而且抗干擾性比較差，因此，數(shù)字地、模擬地、安全地、系統(tǒng)地不能與交流地相連.

在實(shí)際應(yīng)用中，在系統(tǒng)地與大地等電位的系統(tǒng)中，應(yīng)將系統(tǒng)直流電源的地線與屏蔽層的地線連接在一起；在系統(tǒng)地與大地絕緣的系統(tǒng)中，應(yīng)將系統(tǒng)交流電源的地線接到屏蔽層的地線上.同時(shí)，電纜屏蔽層的接地應(yīng)選擇一點(diǎn)接地，避免形成接地環(huán)路.

2.3 CPU抗干擾設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的CPU抗干擾措施常常采用Watchdog(俗稱看門狗)、電源監(jiān)控(掉電檢測(cè)及保護(hù))、復(fù)位等方法，可用微處理器監(jiān)控電路MAX123來實(shí)現(xiàn).關(guān)于“看門狗”硬件電路設(shè)計(jì)，請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[1].

3 軟件的抗干擾設(shè)計(jì)

在微機(jī)系統(tǒng)中，硬件設(shè)計(jì)得當(dāng)，可將絕大多數(shù)干擾拒之門外，但并不代表不再受干擾的影響.雖然硬件的抗干擾效果不錯(cuò)，但卻要增加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和元器件.以下為兩種常用的軟件抗干擾設(shè)計(jì)方法.

3.1 軟件模擬硬件數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器可采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，但這樣會(huì)增加系統(tǒng)成本，且在已定型的硬件電路加裝數(shù)字濾波器，實(shí)現(xiàn)起來并不容易，而采用軟件設(shè)計(jì)模擬硬件數(shù)字濾波器(如RC濾波器)，不僅可以使電路簡(jiǎn)化，而且可方便地修改軟件中的RC參數(shù)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，比加載硬件的數(shù)字濾波器簡(jiǎn)單.RC低通濾波器的微分方程為：RC(dx/dy)+y=x,對(duì)應(yīng)的差分方程為RC(yk-yk-1)/△t+yk=xk, 近似得到

yk=AXk+BYk-1.

其中,A=△t/(RC),B=1-A,上式通過軟件很容易地實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字濾波器的功能，達(dá)到消除干擾的目的.

3.2 在軟件中加置“看門狗”

“看門狗”，又稱為跟蹤監(jiān)視定時(shí)器，其工作原理是利用定時(shí)器中斷來監(jiān)視程序的運(yùn)行狀態(tài).如果CPU在工作過程中由于干擾出現(xiàn)異常，例如系統(tǒng)死機(jī)，可設(shè)置軟件的“看門狗”定時(shí)器.當(dāng)程序正常時(shí)，定時(shí)器恢復(fù)初值；當(dāng)程序進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，使其定時(shí)時(shí)間略大于程序中最長(zhǎng)循環(huán)一次的時(shí)間，當(dāng)有溢出時(shí)，定時(shí)器則發(fā)出中斷命令，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，強(qiáng)迫系統(tǒng)停止程序運(yùn)行，恢復(fù)系統(tǒng)初始狀態(tài)[2].

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)的抗干擾能力是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，測(cè)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要從軟件和硬件兩方面考慮提高其抗干擾能力，而且在現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試的過程中，針對(duì)于不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)可能形成干擾的原因進(jìn)行分析，采用多種措施進(jìn)行預(yù)防和綜合治理，只有這樣才能確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行.

參考文獻(xiàn)：

[1]于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]何立民.單片機(jī)高級(jí)教程——應(yīng)用與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.