【導(dǎo)讀】由于工業(yè)現(xiàn)場的工作境往往十分惡劣,計算機控制系統(tǒng)不可避免地受到各種各樣的干擾。這些干擾可能會影響到測控系統(tǒng)的精度,使系統(tǒng)的性能指標(biāo)下降,降低系統(tǒng)的可靠性,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)運行混亂或發(fā)生故障,進而造成生產(chǎn)事故。
1、抗干擾概述
由于工業(yè)現(xiàn)場的工作境往往十分惡劣,計算機控制系統(tǒng)不可避免地受到各種各樣的干擾。這些干擾可能會影響到測控系統(tǒng)的精度,使系統(tǒng)的性能指標(biāo) 下降,降低系統(tǒng)的可靠性,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)運行混亂或發(fā)生故障,進而造成生產(chǎn)事故。干擾可能來自外部,也可能來自內(nèi)部;它通過不同的途徑作用于控制系統(tǒng),且其作用程度及引起的后果與干擾的性質(zhì)及干擾的強度等因素有關(guān)。干擾是客觀存在的,研究抗干擾技術(shù)就是要分清干擾的來源,探索抑制或消除干擾的措施,以提高計算機控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
2、干擾的概念
干擾使指有用信號以外的噪聲或造成計算機設(shè)備不能正常工作的破壞因素。產(chǎn)生干擾信號的原因稱為干擾源。干擾源通過傳播途徑影響的器件或系統(tǒng)稱為干擾對象。干擾源、傳播途徑和干擾對象構(gòu)成了干擾系統(tǒng)的三個因素??垢蓴_技術(shù)就是通過對這三要素中的一個或多個采取措施來實現(xiàn)的。為了有效的抑制和消除干擾,首先要分清干擾的來源、傳播途徑以及干擾的作用方式。
3、干擾的來源
計算機控制系統(tǒng)中干擾的來源是多方面的,有時甚至是錯綜復(fù)雜??傮w上,按照來源,干擾可分為內(nèi)部干擾和外部干擾。外部干擾與系統(tǒng)所在環(huán)境和使用條件有關(guān),與系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)。內(nèi)部干擾則由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局、制造工藝等引入。
外部干擾:與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān),是由使用條件和外部環(huán)境決定的。外部干擾主要有:天電干擾,如雷電或大氣電離作用引起的干擾電波;天體干擾,如太陽或其它星球輻射的電磁波;周圍電氣設(shè)備發(fā)出的電磁波干擾;電源的工頻干擾;氣象條件引起的干擾,如濕度、溫度等;地磁場干擾;火花放電、弧光放電、輝光放電等產(chǎn)生的電磁波等。
內(nèi)部干擾:是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、線路設(shè)計、元器件性質(zhì)變化和漂移等原因造成的,主要有:分別電容、分布電感引起的耦合感應(yīng);電磁場輻射感應(yīng);長線傳輸?shù)牟ǚ瓷?;多點接地造成的電位差引入的干擾;寄生震蕩引起的干擾以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等。
4、干擾的傳播途徑
在計算機控制系統(tǒng)的現(xiàn)場往往有許多強電設(shè)備,它們在起動和生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生干擾電磁場,另外還有來自空間傳播的電磁波和雷電干擾,以及高壓輸電線周圍交變磁場的影響等。干擾傳播途徑主要有:電場耦合、磁場耦合、公共阻抗耦合。
電場耦合:又稱靜電耦合,是通過電容耦合竄入其它線路的。兩根導(dǎo)線之間會構(gòu)成分布電容,印制電路板上各印制電線之間、變壓器線匝之間和繞線之間都會構(gòu)成分布電容。這些分布電容的存在可以為干擾信號提供干擾電抗通道,電場干擾就可以由該通道竄入系統(tǒng),形成干擾。
磁場耦合:在任何載流導(dǎo)體周圍都會產(chǎn)生磁場,當(dāng)電流變化時會產(chǎn)生交變磁場,該磁場必然會在其周圍的閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢引起干擾,它是通過導(dǎo)體間互感耦合進來的。在設(shè)備內(nèi)部,線圈或變壓器的漏磁也會引起干擾;在設(shè)備外部,平行架設(shè)的兩根導(dǎo)線也會產(chǎn)生干擾。電磁輻射會造成磁場耦合干擾,如高頻電流流過導(dǎo)體時,在該導(dǎo)體周圍便產(chǎn)生了向空間傳播的電磁波。這些干擾極易通過電源線和長信號線耦合到計算機中。另外,長線干擾具有天線效應(yīng),即能夠輻射干擾波和接受干擾波。
公共阻抗耦合:是由于電流流過回路間公共阻抗,使得一個回路的電流所產(chǎn)生的電壓降影響到另一回路。在計算機控制系統(tǒng)中,普遍存在公共耦合阻抗,例如,電源引線、印刷電路板上的地和公共電源線、匯流排等。這些匯流排都都具有一定的阻抗,對于多回路來講,就是公共耦合阻抗。當(dāng)流過較大的數(shù)字信號電流時,其作用就像是一根天線,將干擾引入到各回路中。同時,各回流條之間具有電容,數(shù)字脈沖可以通過這個電容耦合過來。印制板上的地,實質(zhì)上就是公共回流線,由于它仍然具有一定的電阻,各電路之間就通過它產(chǎn)生信號耦合。
5、干擾的作用方式
按干擾作用方式的不同,干擾可分為:差模干擾、共模干擾和長線傳輸干擾。
差模干擾:也稱串模干擾,就是串聯(lián)與信號源回路之中的干擾。它串聯(lián)在信號源回路中,與被測信號相加后輸入系統(tǒng)。產(chǎn)生差模干擾的因素主要有分布電容的靜電耦合、空間的磁場耦合、長線傳輸?shù)幕ジ小?0HZ的工頻干擾,以及信號回路中元件的參數(shù)變化等。
共模干擾:用于過程控制的計算機的地、信號放大器的地和現(xiàn)場信號源的地之間通常要隔一段距離,長達幾十米甚至上百米,在兩個接地點之間往往存在一個電位差,這個電位差對放大器的干擾,稱為共模干擾,也稱為共態(tài)干擾或縱向干擾。這種干擾可以是直流干擾也可以是交流干擾,其幅值可以是幾伏甚至更高,取決于現(xiàn)場產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計算機等設(shè)備的接地情況。
長線傳輸干擾:在計算機控制系統(tǒng)中,現(xiàn)場信號到控制計算機以及控制計算機到現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu),都需要一段較長的線路進行信號傳輸,即長線傳輸。對于高速信號傳輸?shù)木€路,即在高頻信號電路中,多長的導(dǎo)線可作為長線,取決于電路信號頻率的大小,在有些情況下,可能1m左右的線就應(yīng)作為長線看待。
信號在長線中傳輸會遇到三個問題:一是高速變化的信號在長線中傳輸時出現(xiàn)的波反射現(xiàn)象,二是具有信號延時,三是長線傳輸會遇到外界干擾。