工業(yè)惡劣環(huán)境下無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力研究

文/胡文虹

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)近年來的快速發(fā)展，企業(yè)為了提高自身在激烈競(jìng)爭(zhēng)中的生存能力，不斷采用多種先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備。無線通信技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，相較有線網(wǎng)絡(luò)，具有經(jīng)濟(jì)、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于許多生產(chǎn)企業(yè)，實(shí)現(xiàn)無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如地下礦井的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、還有一些人力不方便到達(dá)野外環(huán)境工作區(qū)的監(jiān)測(cè)等等。在這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝使用的工業(yè)環(huán)境，有些生產(chǎn)企業(yè)環(huán)境很復(fù)雜，使用的先進(jìn)設(shè)備，對(duì)提高企業(yè)效能有很大幫助，但相對(duì)無線信號(hào)卻是惡劣環(huán)境，這些設(shè)備或設(shè)施的存在，會(huì)對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾，而干擾會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，而嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。在這樣惡劣的環(huán)境下，需要對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行分析，保證采集數(shù)據(jù)在無線傳輸中的準(zhǔn)確度，從而確保系統(tǒng)可靠正常的運(yùn)行。

以水泥廠的能耗和排放無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析研究，在不影響企業(yè)原來的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，采用無線信號(hào)傳輸，不僅提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，更要確保獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性，使無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

一、系統(tǒng)概況

一般系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由控制中心和N個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。通常以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為主。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)儀表經(jīng)無線傳感終端節(jié)點(diǎn)來獲得現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息或數(shù)據(jù)，處理后無線網(wǎng)絡(luò)將信息向上傳送到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中心，通過軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按企業(yè)要求進(jìn)行處理，主要功能有對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、計(jì)算并分析統(tǒng)計(jì)；可以查詢、輸出、打印等，為企業(yè)提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

二、無線信號(hào)的干擾因素及影響

對(duì)無線信號(hào)傳輸過程的干擾因素較多，干擾有輻射干擾、線路干擾，另外企業(yè)生產(chǎn)中采用的設(shè)備多為鋼鐵金屬，而鐵金屬對(duì)信號(hào)的有隔離作用，同時(shí)無線波傳輸過程中遇到障礙產(chǎn)生的反射折射造成的干擾。對(duì)無線的傳輸造成不良影響。

圖2 未使用變頻器的信號(hào)

圖3 使用變頻器后的信號(hào)

（一）主要干擾因素

在企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和使用設(shè)備，主要的干擾源分為兩類，

1.輻射干擾：許多生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備有高聳的塔、庫(kù)、等，在信號(hào)傳送過程中易產(chǎn)生無線波的折射、反射等阻礙，發(fā)生信號(hào)干擾現(xiàn)象。這類干擾的輻射傳輸是通過介質(zhì)以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。

2.電磁干擾。電磁干擾，通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生的。水泥廠生產(chǎn)設(shè)備采用了變頻控制設(shè)備、大功率的電磁起動(dòng)設(shè)備等，一方面降低了企業(yè)的電耗成本，但在生產(chǎn)線的自動(dòng)控制回路中，對(duì)信號(hào)的傳播特別是直流弱電信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大干擾，形成漂移、噪聲或非點(diǎn)等。這些干擾影響自動(dòng)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信號(hào)的正常采集和傳播，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)無法正常工作。如圖1，未使用變頻器和使用變頻器產(chǎn)生干擾后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。可以分析出來，這些干擾導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重失真。

（二）干擾對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生的危害

干擾對(duì)企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的影響比較多，不同的設(shè)備表現(xiàn)出來的現(xiàn)象也所不同，但由于干擾會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，具體的現(xiàn)象主要有以下幾個(gè)方面。

1.電子儀表因干擾而使讀數(shù)錯(cuò)誤，可能會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)較大偏差

2.接收信號(hào)的電子設(shè)備因信號(hào)傳輸失真而出現(xiàn)錯(cuò)誤指令，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)誤操作，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響設(shè)備正常運(yùn)行。

3.對(duì)于無線信號(hào)，設(shè)備通信失真，直接導(dǎo)致信號(hào)中斷，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，甚至硬件設(shè)備的損壞。特別是對(duì)電子系統(tǒng)、設(shè)備， 強(qiáng)烈的電磁干擾可能使靈敏的電子設(shè)備因過載而損壞。

三、提高系統(tǒng)良好抗干擾性的措施

圖4 數(shù)據(jù)調(diào)制——解調(diào)示意圖

確保系統(tǒng)的自健性，自身具有良好的抗干擾能力，這是系統(tǒng)能夠在工業(yè)較惡劣的環(huán)境中，仍能正常工作的基本條件。無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先要解決這一問題。確保系統(tǒng)自身具有良好的抗干擾能力，在惡劣工作環(huán)境下，能抵抗干擾，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（一）網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)。

IEEE802.15.4定義了ZigBee的物理層和媒體訪問層兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，CSMS-CA確認(rèn)幀等機(jī)制。有效的提高了網(wǎng)絡(luò)無線通信的工作可靠性。

（二）直接序列擴(kuò)頻技術(shù)

直接序列擴(kuò)頻英文全稱Direct Sequence Spread Spectrum，其實(shí)質(zhì)是對(duì)信號(hào)電波進(jìn)行調(diào)制—解調(diào)的過程，如圖3所示，原始數(shù)據(jù)信號(hào)源在發(fā)送端通過擴(kuò)頻，接收端接收信號(hào)首先解擴(kuò)，最后復(fù)原數(shù)據(jù)。無線電波在傳播過程中，會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素產(chǎn)生多徑干擾，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，干擾信號(hào)將在大部分被抑制掉了。系統(tǒng)采用擴(kuò)頻技術(shù)，通過擴(kuò)展射頻帶寬，部分窄帶頻譜對(duì)寬頻信號(hào)不會(huì)干擾，從而減少信號(hào)失真的影響，有效抑制了水泥廠環(huán)境中信號(hào)受阻礙引起的信號(hào)反射折射產(chǎn)生的多徑干擾； 有效減少水泥廠生產(chǎn)線中設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。

（三）CSMS-CA、確認(rèn)幀機(jī)制

CSMA-CA是一種分布式介質(zhì)訪問控制協(xié)議，也稱之為載波偵聽機(jī)制，采取退避機(jī)制，先偵聽判別空閑通道，可有效避免信道通信過程中的沖突，或是通道兩個(gè)或兩個(gè)以上空閑通道閑置的情況，提高信號(hào)傳輸過程中的可靠性。

確認(rèn)幀是通過在信號(hào)發(fā)送和接收過程中通過一個(gè)幀來確認(rèn)數(shù)據(jù)是否被接收以及任務(wù)接收后是否完成，通過確認(rèn)后說明通信任務(wù)完成，此項(xiàng)任務(wù)結(jié)束。該項(xiàng)機(jī)制提高了通信性能和工作可靠性。

（四）其他措施

1.其通訊端口易產(chǎn)生干擾，無線信號(hào)接口R232/485，采用光電隔離器，可消除一部分干擾，效果比較明顯。

2.針對(duì)水泥廠內(nèi)干擾較大的變頻和大功率電磁起動(dòng)等設(shè)備，有比較成熟的多種解決方法，可有效增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。如模擬信號(hào)隔離裝置等。

3.選擇合適的參數(shù)，降低設(shè)備產(chǎn)生的電磁、電波或噪音等等因素產(chǎn)生的干擾，當(dāng)達(dá)到合適占時(shí)，可有效降低設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。

4.在設(shè)備中安裝濾波電抗器，防止在電路中產(chǎn)生共振，消除次諧波的電壓或電流，從而減少對(duì)電網(wǎng)的干擾。

四、結(jié)論

除了提高系統(tǒng)自身的抗干擾能力，在硬件設(shè)置及線路中也可采取了抗干擾設(shè)置，輔助增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。如信號(hào)線和通訊線采用屏蔽線；在電源端加裝濾波器，根據(jù)無線通訊距離，設(shè)置合適的中斷傳輸點(diǎn)，減少無線信號(hào)因環(huán)境產(chǎn)生的輻射干擾等；如合理布線，避免動(dòng)力線和信號(hào)線平行，做好接地系統(tǒng)，如單獨(dú)地地，確保接地良好，接地電阻小于4歐姆。

總之，確保系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性，同時(shí)輔助硬件設(shè)置，增強(qiáng)抗干擾能力，比較有效的提高水泥廠能源無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)正常運(yùn)行。