水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備抗干擾問(wèn)題淺析

莊 冬

（安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230000）

隨著水利信息化的發(fā)展，人工抄表模式已經(jīng)不能滿足水資源的現(xiàn)代化管理要求，因此水資源取用水量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。水資源取用水量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用既降低了水資源管理成本，又實(shí)現(xiàn)了水資源取用水?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在水資源取用水量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中不可避免的遇到電磁干擾問(wèn)題。為解決取用水量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電磁干擾問(wèn)題，首先應(yīng)分析電磁干擾的產(chǎn)生原因、特性等；然后針對(duì)電磁干擾的干擾源、傳播途徑等采取有效的預(yù)防措施；最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)前后的通訊狀態(tài)對(duì)比得出抗干擾有效性強(qiáng)弱的結(jié)論。電磁干擾問(wèn)題的解決是要保障正常信號(hào)的傳遞和接收，來(lái)規(guī)避信號(hào)的損失。

1 干擾分析

在水資源取用水量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)傳輸丟失、數(shù)據(jù)傳輸中斷等現(xiàn)象。經(jīng)技術(shù)排查發(fā)現(xiàn)，水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的異常是取水現(xiàn)場(chǎng)的變頻設(shè)備造成的。

在明確了干擾源后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析干擾源對(duì)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的干擾。（1）將水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備靠近干擾源但切斷一切外部連接線，采用電池臨時(shí)供電，觀察干擾源對(duì)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的干擾情況；（2）將水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備盡量遠(yuǎn)離干擾源但保留兩者之間的連接線；（3）將水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備靠近干擾源并與之保持著有線連接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備既靠近干擾源又與其保持有線連接時(shí)，干擾最強(qiáng)烈；當(dāng)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備連接干擾源但相距較遠(yuǎn)或者水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備和干擾源完全斷開(kāi)有線連接時(shí)，信號(hào)干擾都會(huì)減弱。

綜合以上分析得到干擾源的電磁干擾通過(guò)兩種途徑進(jìn)行傳播：其一，通過(guò)導(dǎo)體連接到現(xiàn)場(chǎng)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備造成干擾；其二，通過(guò)空間輻射對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備造成干擾。干擾途徑示意圖如圖1 所示。

圖1 干擾途徑示意圖

1.1 傳導(dǎo)干擾

傳導(dǎo)干擾就是干擾源以導(dǎo)電體為媒介對(duì)其他電子產(chǎn)品或設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)干擾。干擾源通過(guò)導(dǎo)線或者導(dǎo)電介質(zhì)直接或者間接與水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備相連而產(chǎn)生的干擾。分析水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的外部連接線可以判斷，有線干擾來(lái)源主要水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備需現(xiàn)場(chǎng)提供220V 交流電，因此會(huì)不可避免的通過(guò)供電線路與干擾源相連。干擾源所產(chǎn)生的干擾信號(hào)能量以電流或電壓的形式在電路中傳導(dǎo)，通過(guò)金屬導(dǎo)線耦合至水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備。水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備與流量計(jì)之間通訊往往被轉(zhuǎn)換成微弱的低電平電壓信號(hào)，受到傳導(dǎo)干擾后導(dǎo)致數(shù)據(jù)紊亂不能使用。

1.2 輻射干擾

輻射干擾即干擾源以空間耦合的方式將其產(chǎn)生的干擾信號(hào)傳導(dǎo)給其他電子產(chǎn)品或設(shè)備并對(duì)其產(chǎn)生強(qiáng)烈的信號(hào)干擾。變頻器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波并對(duì)靠近的系統(tǒng)或儀表產(chǎn)生干擾，干擾造成計(jì)量?jī)x表與水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的通訊出現(xiàn)異常。為發(fā)現(xiàn)變頻器的輻射干擾強(qiáng)度與距離遠(yuǎn)近的關(guān)系，將水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備分別放置在與變頻器不同的距離然后監(jiān)聽(tīng)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的通訊狀態(tài)。為分析變頻器的輻射干擾強(qiáng)度與距離的關(guān)系，通過(guò)控制變量法實(shí)驗(yàn)。用同一臺(tái)變頻器并關(guān)閉附近其他電子設(shè)備保證輻射強(qiáng)度不變。被干擾設(shè)備采用電池供電，防止有線干擾影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)時(shí)，開(kāi)啟變頻器分別將被干擾設(shè)備放置在距離變頻器1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m 的地方，然后監(jiān)聽(tīng)并記錄被干擾設(shè)備的通訊狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)被干擾設(shè)備距離變頻器1m、2m、3m的時(shí)候，通訊被阻斷并不斷地接收“FF”的亂碼；當(dāng)被干擾設(shè)備距離變頻器4m、5m、6m 的時(shí)候，發(fā)送要數(shù)命令可以接收到正確的回?cái)?shù)命令但仍能接收到“FF”的亂碼，隨著距離變遠(yuǎn)收到亂碼“FF”的頻率在降低；當(dāng)被干擾設(shè)備距離變頻器7m甚至更遠(yuǎn)時(shí)，發(fā)送要數(shù)命令可以收到正確的回?cái)?shù)命令且無(wú)亂碼。通過(guò)監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)來(lái)判斷，水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備距離變頻器越近，其受到變頻器的輻射干擾越強(qiáng)，甚至不能正常通訊且監(jiān)聽(tīng)到數(shù)據(jù)全部為亂碼。

2 解決方案

2.1 干擾原理分析

電磁干擾信號(hào)因電磁感應(yīng)在水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，進(jìn)而影響水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備電路的正常工作。電磁干擾的三個(gè)要素：干擾信號(hào)源、干擾途徑、干擾對(duì)象。如果要削弱干擾可通過(guò)三方面進(jìn)行：抑制和消除電磁干擾信號(hào)源、切斷電磁干擾途徑、保護(hù)電磁干擾對(duì)象。從抗電磁干擾手段上說(shuō)可分為軟件、硬件兩方面。常見(jiàn)的軟件抗干擾技術(shù)包括：數(shù)字濾波技術(shù)、開(kāi)關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)、指令冗余技術(shù)及軟件陷阱技術(shù)等。硬件抗干擾技術(shù)包括：干擾隔離、濾波處理、干擾屏蔽等方法?；诤?jiǎn)單高效解決電磁干擾問(wèn)題的目的，本文主要研究硬件抗干擾技術(shù)，分析各硬件抗干擾技術(shù)手段解決電磁干擾問(wèn)題的優(yōu)缺點(diǎn)，最終得出一套簡(jiǎn)單有效的電磁干擾解決方案。

2.2 解決干擾的具體措施

在取水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)施前仔細(xì)觀察現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，盡量避免與變頻器此類(lèi)干擾源共用電網(wǎng)。取水水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離干擾源的位置安裝，線路的接線位置與走向應(yīng)盡量與變頻器的輸入、輸出線保持較遠(yuǎn)距離，避免現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁場(chǎng)。如果可以將變頻器的載波頻率調(diào)低到一個(gè)外界電子設(shè)備可以接收的范圍，就可以消除干擾。如果上述方法不能奏效或不能實(shí)現(xiàn)，那么只能通過(guò)硬件的抗干擾措施解決。

2.2.1 干擾隔離

干擾隔離是將電磁干擾信號(hào)源與易受電磁干擾的電子設(shè)備隔離開(kāi)，使其不直接發(fā)生電的聯(lián)系。常見(jiàn)的隔離器件有隔離變壓器和光電隔離模塊。隔離變壓器就是利用變壓器把數(shù)字電路信號(hào)與模擬電路信號(hào)隔離開(kāi)，切斷了串模干擾通過(guò)連線進(jìn)入水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備電路的途徑。光電隔離模塊主要作用在信號(hào)傳輸線路中，其輸入輸出間寄生電容很小，絕緣電阻很大，因此電磁干擾信號(hào)很難通過(guò)它傳入水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備電路。另外，可以采用物理隔離的方式：（1）從空間上遠(yuǎn)離干擾源，距離越遠(yuǎn)干擾衰減越大；（2）不同線纜單獨(dú)走線布置線槽，避免相互間的電磁感應(yīng)干擾。

2.2.2 濾波處理

如果傳導(dǎo)干擾較強(qiáng)，可以在通訊回路中串聯(lián)濾波器。濾波電路對(duì)低頻的通訊信號(hào)的通過(guò)率較高，對(duì)尖峰脈沖、瞬變脈沖等高頻具有較強(qiáng)的濾除效果，可以有效地削弱或隔絕傳導(dǎo)干擾。通過(guò)濾波電路對(duì)電路中干擾信號(hào)的過(guò)濾可以很大程度地減小干擾源對(duì)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的影響，從而保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性以及通訊傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.2.3 干擾屏蔽

屏蔽主要應(yīng)對(duì)輻射干擾，將干擾源的電磁場(chǎng)與水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備隔離開(kāi)。金屬對(duì)入射電磁波具有反射損耗和吸收損耗的特性，電磁波到達(dá)金屬屏蔽體表面，一部分透入屏蔽體內(nèi)部，一部分被金屬屏蔽體反射，透入電磁屏蔽體的電磁波，在金屬屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，干擾功率被損耗。為減少來(lái)自外界干擾源的輻射干擾，水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備集成到一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱采用不銹鋼材質(zhì)。同理，數(shù)據(jù)采集連線采用雙絞屏蔽線纜并用鋼管保護(hù)。

2.2.4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)各種抗電磁干擾方法的對(duì)比分析得出如下結(jié)論：當(dāng)取水監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾強(qiáng)度較低時(shí)，最經(jīng)濟(jì)有效的手段是遠(yuǎn)離干擾源同時(shí)采用導(dǎo)磁導(dǎo)電性良好的金屬做防護(hù)箱對(duì)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行防護(hù)；當(dāng)取水監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜干擾強(qiáng)度較高時(shí)，需從有線干擾和無(wú)線干擾兩方面排查切斷干擾傳播途徑。有線干擾排查電源線，通過(guò)加裝隔離變壓器或低通濾波器加以隔離處理，無(wú)線干擾通過(guò)導(dǎo)磁導(dǎo)電金屬分別對(duì)干擾源和水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行包裹，雙重隔離。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著水利行業(yè)的不斷發(fā)展，水利信息化的進(jìn)程不斷加快。為更好地服務(wù)水利、方便管理，各種電子通訊設(shè)備在水利行業(yè)的應(yīng)用將逐漸增多。然而各種電子通訊設(shè)備大都存在著干擾問(wèn)題，這就需要規(guī)范安裝、加強(qiáng)防護(hù)措施、增強(qiáng)抗干擾的意識(shí)、避免相互干擾。本文以安徽省水資源取水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)過(guò)程中遇到的電磁干擾問(wèn)題為案例進(jìn)行問(wèn)題分析，提出了具體有效的抗干擾措施，可供類(lèi)似的電磁干擾問(wèn)題解決提供參考■