测控系统抗干扰技术在工业控制环境中的应用

郭 瑜

(中国铝业股份有限公司 郑州研究院，河南 郑州450041)

当前，计算机控制技术在工业生产中得到了广泛应用，各种电子控制装置如单片机、可编程序控制器(PLC)、大型集散控制系统(DCS)等，在工业生产中发挥日益重要的作用.然而，各种形式的干扰时常窜入系统作乱，影响系统的正常运行，甚至出现不必要的事故，干扰问题已成为工业控制中的突出问题. 因此，在控制系统的软硬件设计、安装、调试过程中，采取必要的抗干扰措施，才能保证系统安全、有效地运行.

1 干扰的分类和耦合方式

根据干扰的形成方式,可以将干扰分为以下几类：(1)机械干扰.机械振动或冲击造成检测设备中的元件产生振动或是形变等情况，引起连接导线发生松动,或是指针仪表的指针发生颤动.(2)热干扰.在设备工作的过程中或是环境升温所产生的热，导致元器件的温度波动，引起仪表中电路元件参数漂移，以至于自控系统工作失常.(3)光干扰.在检测装置中广泛使用各种半导体元器件，光照使其性能发生变化，如光照会使EPROM存储器件数据丢失等. (4)湿度干扰.在环境湿度较大的条件下，由于绝缘电阻下降，漏电流增大，导致电容器的电容量增大，使电感线圈的Q值(品质因数)下降.(5)化学干扰.当工作环境充斥着酸、碱、盐等蒸汽时，会发生化学腐蚀作用从而造成元器件的损坏或电容等元器件的性能改变.(6)电磁噪声干扰.电磁的噪声干扰是普遍存在的，它对元器件工作性能的影响也最严重，其主要原因为噪声通过电路、磁路对系统和装置产生干扰，既要抑制和消除来自环境的电磁干扰，也要抑制和消除来自自控设备的电磁干扰.干扰的耦合有以下4种方式：(1)电容耦合.(2)电感耦合.(3)漏电流耦合. (4)共阻抗耦合.

从上述干扰形成及分类看，造成干扰有几个必要因素：干扰源、干扰途径、对干扰敏感性较高的接受器，因此，如果想避免和消除干扰，就需要从这几个方面采取一定的预防保护措施.在实际应用中，可以从两方面的设计来解决干扰问题，一方面为硬件抗干扰设计，另一方面为软件抗干扰设计，其中软件抗干扰由于比较容易实现并具有较低成本，因而被广泛采用.

2 硬件抗干扰设计

2.1 传输通道的抗干扰设计

传输通道主要是指自控系统中输入接口、输出接口与主机之间进行数据连接及传输的路径.由于自控系统是从生产现场的检测装置、控制装置、主机相互联系沟通的一个庞大复杂系统，不可避免有长距离的线传输，而长线传输产生的干扰就成为设计时必须考虑的问题.为了保证长线传输中输入、输出接口传输信号的可靠性，根据干扰源的具体情况，针对串模干扰或是共模干扰，采用不同的设计方法来解决.

2.1.1 针对串模干扰的设计方法. 串模干扰也被称为常态干扰，其特征是干扰噪声是叠加在被检测信号上.针对于串模干扰，必须要先分析叠加在被检测信号的干扰信号产生原因及特性，再针对现场环境、设备状况，采取相应的措施.解决串模干扰的设计方法如下：

(1)当被测信号的频率低于串模干扰频率时，可在检测系统中加入低通滤波器来抑制高频串模干扰;当被测信号的频率高于串模干扰频率时，可加入高通滤波器来抑制低频串模干扰;当被测信号的频率在串模干扰的频率中间部位时，则加入带通滤波器来抑制外侧的串模干扰.在实际应用中，串模干扰频率的变化会比被测信号快，所以经常加载阻容低通滤波网络.

(2)对于尖峰型串模干扰，可加载双积分式A/D转换器，这样采集的输入信号是平均值而不是瞬时值，对干扰具有抑制作用；若采用积分周期等方法，通过积分比较变换后，则对干扰有更好的抑制效果.

(3)对电磁感应情况下引起的串模干扰，可以对被测信号提前进行放大，或是尽快地完成模数转换，或采取隔离和屏蔽等措施.

(4)对来自逻辑器的串模干扰，采用高抗扰度逻辑器件，利用高阀值电平来抑制低噪声的干扰；也可采用低速逻辑器来抑制高频干扰，或通过加载电容来降低逻辑电路中的高频干扰.

(5)信号引线采用外加屏蔽层的双绞线，可以减少电磁感应，由于双绞线的输入阻抗较大，对干扰信号的阻抗也会相应较大，可以使在走线过程中的各个小环路引起的感应电势呈反向抵消.由于双绞线的特性，它的线间分布电容只有十几pF，对信号具有积分作用，对抑制电磁干扰的效果尤其显著.

2.1.2 针对于共模干扰的设计方法. 共模干扰也被称为共态干扰，其特征是模/数转换器两个输入端上共有的干扰.这种干扰有可能为直流电压，也有可能为交流电压，其幅值可达几伏或几十伏.解决共模干扰的设计方法如下：

(1)采用隔离变压器将信号隔离. 对于交流信号的传输，一般采用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器可以阻断交流信号中的直流干扰和抑制地坪干扰信号的强度，把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，即将模拟地与数字地断开，传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不能构成回路被抑制.

(2)采用光电隔离器将信号隔离. 在系统设计中，在I/O单元、主机单元、通讯单元之间加设光电隔离器，可有效防止干扰从过程通道窜入主机.这是因为光电隔离有如下特点：首先，发光二极管和光电三极管封装在一个管壳内，不会受到外界的干扰；其次，由于是靠光传递信号，切断了各单元电路中地线的联系；而且，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，传送到光电隔离器的干扰信号就变得很小.

(3)在输入/输出(I/O)模板的选型上，应尽量选用4～20 mA类型的模拟量输入/输出模板，避免选用1～5 V类型的，以防止共模干扰.除考虑特殊需要外，尽可能选择直流电源为24 V、开关信号电压压差较大、响应时间较慢(10～20 ms)的开关量模板.

(4)在进行硬件的配置设计时，应选用共模干扰抑制能力强、精度高的自动化仪表和传感器、变送器；对远离主机的传感器、变送器，要考虑选用远程模板式适配器，以减小布线带来的干扰.

2.1.3 长线传输干扰及其抑制方法

(1)选用同轴电缆或双绞线.同轴电缆对电场干扰有较好的抑制作用，其波阻抗一般在50～100 Ω之间.双绞线对磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，波阻抗越低，效果越好，一般在100～200 Ω之间.

2.2 系统接地的抗干扰设计

在监控系统中的地线设计尤为重要，地线的型式一般有：数字地、模拟地、安全地、系统地和交流地.合理有效的接地设计能减少系统内部噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力.其设计要点是：避免形成接地环路，消除因公共阻抗所形成的干扰.

系统主机中数字电路的零电位称为数字地，其接地原则为相同性质的直流电源地线才能连接在一起.在传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位称为模拟地.有时模拟信号比较小，而且与生产现场连接，为了保证其精度，其接地原则为相同性质的直流电源地线才能连接在一起. 模拟地应与数字地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰.在现场安装时，要注意将设备机壳与大地等电位，这被称为安全地，可以避免机壳带电，保障人身及设备安全. 上述几种地的最终回流点称为系统地，直接与大地相连. 对于自控系统中计算机交流供电电源地称为交流地，也称为动力线地，由于它的地电位很不稳定，而且抗干扰性比较差，因此，数字地、模拟地、安全地、系统地不能与交流地相连.

在实际应用中，在系统地与大地等电位的系统中，应将系统直流电源的地线与屏蔽层的地线连接在一起；在系统地与大地绝缘的系统中，应将系统交流电源的地线接到屏蔽层的地线上.同时，电缆屏蔽层的接地应选择一点接地，避免形成接地环路.

2.3 CPU抗干扰设计

计算机控制系统的CPU抗干扰措施常常采用Watchdog(俗称看门狗)、电源监控(掉电检测及保护)、复位等方法，可用微处理器监控电路MAX123来实现.关于“看门狗”硬件电路设计，请参阅文献[1].

3 软件的抗干扰设计

在微机系统中，硬件设计得当，可将绝大多数干扰拒之门外，但并不代表不再受干扰的影响.虽然硬件的抗干扰效果不错，但却要增加系统的设计和元器件.以下为两种常用的软件抗干扰设计方法.

3.1 软件模拟硬件数字滤波器

数字滤波器可采用硬件电路实现，但这样会增加系统成本，且在已定型的硬件电路加装数字滤波器，实现起来并不容易，而采用软件设计模拟硬件数字滤波器(如RC滤波器)，不仅可以使电路简化，而且可方便地修改软件中的RC参数，以适应不同的应用环境，比加载硬件的数字滤波器简单.RC低通滤波器的微分方程为：RC(dx/dy)+y=x,对应的差分方程为RC(yk-yk-1)/△t+yk=xk, 近似得到

yk=AXk+BYk-1.

其中,A=△t/(RC),B=1-A,上式通过软件很容易地实现模拟数字滤波器的功能，达到消除干扰的目的.

3.2 在软件中加置“看门狗”

“看门狗”，又称为跟踪监视定时器，其工作原理是利用定时器中断来监视程序的运行状态.如果CPU在工作过程中由于干扰出现异常，例如系统死机，可设置软件的“看门狗”定时器.当程序正常时，定时器恢复初值；当程序进入死循环时，使其定时时间略大于程序中最长循环一次的时间，当有溢出时，定时器则发出中断命令，进入中断服务子程序，强迫系统停止程序运行，恢复系统初始状态[2].

4 结束语

系统的抗干扰能力是提高系统可靠性的关键，测控系统在设计时不仅要从软件和硬件两方面考虑提高其抗干扰能力，而且在现场安装、调试的过程中，针对于不同的现场环境，对可能形成干扰的原因进行分析，采用多种措施进行预防和综合治理，只有这样才能确保计算机控制系统稳定可靠运行.

参考文献：

[1]于海生.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2]何立民.单片机高级教程——应用与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.