工业恶劣环境下无线监测系统抗干扰能力研究

文/胡文虹

引言

随着我国经济近年来的快速发展，企业为了提高自身在激烈竞争中的生存能力，不断采用多种先进的生产设备。无线通信技术的发展及应用，相较有线网络，具有经济、安装简便等优点，被广泛的应用于许多生产企业，实现无线实时监测系统。如地下矿井的安全监测系统、海洋环境监测系统、工业能源监测系统、还有一些人力不方便到达野外环境工作区的监测等等。在这些监测系统安装使用的工业环境，有些生产企业环境很复杂，使用的先进设备，对提高企业效能有很大帮助，但相对无线信号却是恶劣环境，这些设备或设施的存在，会对无线信号产生一定的干扰，而干扰会影响数据采集的准确度，而严重时会影响系统的正常工作。在这样恶劣的环境下，需要对系统的抗干扰能力进行分析，保证采集数据在无线传输中的准确度，从而确保系统可靠正常的运行。

以水泥厂的能耗和排放无线监测系统为例进行分析研究，在不影响企业原来的生产监控系统的情况下，采用无线信号传输，不仅提高系统运行的可靠性，更要确保获得的数据准确性和可靠性，使无线监测系统正常运行。

图1 系统无线网络结构示意图

一、系统概况

一般系统的结构由控制中心和N个网络节点组成。通常以网状结构为主。

生产现场仪表经无线传感终端节点来获得现场各个监测对象的信息或数据，处理后无线网络将信息向上传送到系统监测中心，通过软件对接收到的数据按企业要求进行处理，主要功能有对生产过程的实时监测，储存数据、计算并分析统计；可以查询、输出、打印等，为企业提供生产数据依据。

二、无线信号的干扰因素及影响

对无线信号传输过程的干扰因素较多，干扰有辐射干扰、线路干扰，另外企业生产中采用的设备多为钢铁金属，而铁金属对信号的有隔离作用，同时无线波传输过程中遇到障碍产生的反射折射造成的干扰。对无线的传输造成不良影响。

图2 未使用变频器的信号

图3 使用变频器后的信号

（一）主要干扰因素

在企业生产环境和使用设备，主要的干扰源分为两类，

1.辐射干扰：许多生产企业设备有高耸的塔、库、等，在信号传送过程中易产生无线波的折射、反射等阻碍，发生信号干扰现象。这类干扰的辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。

2.电磁干扰。电磁干扰，通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生的。水泥厂生产设备采用了变频控制设备、大功率的电磁起动设备等，一方面降低了企业的电耗成本，但在生产线的自动控制回路中，对信号的传播特别是直流弱电信号会产生较大干扰，形成漂移、噪声或非点等。这些干扰影响自动控制系统中数据信号的正常采集和传播，严重时会使系统无法正常工作。如图1，未使用变频器和使用变频器产生干扰后的信号进行对比。可以分析出来，这些干扰导致信号严重失真。

（二）干扰对无线信号产生的危害

干扰对企业生产产生的影响比较多，不同的设备表现出来的现象也所不同，但由于干扰会导致信号失真，具体的现象主要有以下几个方面。

1.电子仪表因干扰而使读数错误，可能会使结果出现较大偏差

2.接收信号的电子设备因信号传输失真而出现错误指令，导致设备出现误操作，严重时可能会影响设备正常运行。

3.对于无线信号，设备通信失真，直接导致信号中断，影响系统正常运行，甚至硬件设备的损坏。特别是对电子系统、设备， 强烈的电磁干扰可能使灵敏的电子设备因过载而损坏。

三、提高系统良好抗干扰性的措施

图4 数据调制——解调示意图

确保系统的自健性，自身具有良好的抗干扰能力，这是系统能够在工业较恶劣的环境中，仍能正常工作的基本条件。无线监测系统首先要解决这一问题。确保系统自身具有良好的抗干扰能力，在恶劣工作环境下，能抵抗干扰，确保系统正常运行。

（一）网络ZigBee技术。

IEEE802.15.4定义了ZigBee的物理层和媒体访问层两个物理层标准，两个物理层都基于直接序列扩频(DSSS)技术，CSMS-CA确认帧等机制。有效的提高了网络无线通信的工作可靠性。

（二）直接序列扩频技术

直接序列扩频英文全称Direct Sequence Spread Spectrum，其实质是对信号电波进行调制—解调的过程，如图3所示，原始数据信号源在发送端通过扩频，接收端接收信号首先解扩，最后复原数据。无线电波在传播过程中，会因为环境因素产生多径干扰，利用扩频编码之间的相关特性，干扰信号将在大部分被抑制掉了。系统采用扩频技术，通过扩展射频带宽，部分窄带频谱对宽频信号不会干扰，从而减少信号失真的影响，有效抑制了水泥厂环境中信号受阻碍引起的信号反射折射产生的多径干扰； 有效减少水泥厂生产线中设备产生的电磁干扰。

（三）CSMS-CA、确认帧机制

CSMA-CA是一种分布式介质访问控制协议，也称之为载波侦听机制，采取退避机制，先侦听判别空闲通道，可有效避免信道通信过程中的冲突，或是通道两个或两个以上空闲通道闲置的情况，提高信号传输过程中的可靠性。

确认帧是通过在信号发送和接收过程中通过一个帧来确认数据是否被接收以及任务接收后是否完成，通过确认后说明通信任务完成，此项任务结束。该项机制提高了通信性能和工作可靠性。

（四）其他措施

1.其通讯端口易产生干扰，无线信号接口R232/485，采用光电隔离器，可消除一部分干扰，效果比较明显。

2.针对水泥厂内干扰较大的变频和大功率电磁起动等设备，有比较成熟的多种解决方法，可有效增强系统抗干扰能力。如模拟信号隔离装置等。

3.选择合适的参数，降低设备产生的电磁、电波或噪音等等因素产生的干扰，当达到合适占时，可有效降低设备产生的电磁干扰。

4.在设备中安装滤波电抗器，防止在电路中产生共振，消除次谐波的电压或电流，从而减少对电网的干扰。

四、结论

除了提高系统自身的抗干扰能力，在硬件设置及线路中也可采取了抗干扰设置，辅助增强系统的抗干扰能力。如信号线和通讯线采用屏蔽线；在电源端加装滤波器，根据无线通讯距离，设置合适的中断传输点，减少无线信号因环境产生的辐射干扰等；如合理布线，避免动力线和信号线平行，做好接地系统，如单独地地，确保接地良好，接地电阻小于4欧姆。

总之，确保系统自身的稳定性，同时辅助硬件设置，增强抗干扰能力，比较有效的提高水泥厂能源无线监测系统的抗干扰能力，确保了系统正常运行。