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自动化系统抗干扰技术(一)
[ 通信界 / 周志敏 山东莱芜钢铁集团公司动力部 / www.cntxj.net / 2009/1/20 17:18:32 ]
 
  摘  要:文中介绍并分析了影响自动化控制系统工作可靠性的各类干扰和自动化控制系统的电磁兼容性。 
  关键词:可靠性 干扰源 电磁兼容性 
 
 
1.概述
  随着微处理技术、计算机网络技术、信息通信技术、多媒体技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术及人工智能技术的发展和应用,在21世纪人类即将跨入信息时代的门槛。各类高新技术在各领域的推广应用,使得各类系统的自动化程度不断的提高,这就要求以微处理器为核心的智能化的系列产品具有高的可靠性,而智能化产品的可靠性,在很大程度上取决于其抗干扰能力,因此也决定了整个系统的可靠性。一般侵入系统的干扰有时能直接造成系统的硬件损坏,有时虽不能损坏系统的硬件,但常使微处理器的系统程序运行失控,导致控制失灵,从而造成设备和生产事故。因此,如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是自动化装置研制和应用中不可忽视的重要内容,也是计算机控制技术应用和推广的关键之一。在自动化控制系统的可靠性和抗干扰措施设计中,从总体方案、器件选择、电路板的布局及布线到软件程序的设计,都要把抗干扰技术贯穿于应用系统设计的全过程。
2.干扰与干扰源
  干扰就是外部噪声和无用信号在接收中所造成的骚扰,以路的传导和以场的耦合形式侵入自动化控制系统。干扰有多种来源,按其产生与传播方式可分为以下几类:
2.1静电干扰
  电子和以微处理器技术为核心的设备,在其外部若有大电流载导体所产生的恒定及瞬变电场,将通过载电导体与微电子设备间存在的杂散电容耦合到受扰设备的导线而形成静电干扰。大电流开关装置及晶闸管整流装置等在切断电感性负载电流时也将出现静电干扰。如图1所示;图中A为浮充电源,当开关B闭合时,电流将流过电感L储能,在打开开关B的瞬间,电流将通过开关B的电弧而衰减,当电流衰减到某一数值(开关触点达到一定行程时)电弧熄灭,储存在电感L中的磁能(1/2LI2)将对线间杂散电容充电转化为电能储存起来,或通过杂散电容耦合到其他灵敏的信号电路产生静电干扰。

 
2.2静磁干扰(电磁感应)
  静磁干扰主要指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收与调制。干扰来自系统的内部和外部,电流变化大或大电流工作场合是产生电感性耦合噪声的主要干扰源。电压变化大或高电压工作场合是产生电容性耦合噪声的主要干扰源。如;交流载体,如交流动力线、电动机、发电机、变压器等,必将在载体周围空间产生工频磁场,干扰其周围的电路及电子装置。如变送器、热电阻(偶)等弱小信号,通过较长的信号传输线送到计算机控制室时,在信号传输的途中经常会受到这种交变磁场的干扰。
2.3电磁波干扰
  大功率的高频发生装置(高频加热炉)晶闸管变流装置,整流子电动机的电刷滑动、开关、继电器、接触器等接点开断时产生的电弧、电焊机的弧光,电车集电环产生的火花,以及航空雷达信号等,都将产生强烈的高频电磁波,以空间辐射的形式干扰其他电子设备。
2.4公共阻抗噪声
  电子设备的输入信号、输出信号和各部分之间,通常以系统电源公用线作为参考点,这些电源公共零线上通常存在着分布电阻、电容及电感,电流流过时将产生压降,在瞬变过程中其影响将更为严重。当系统中包含有线性放大器时,电流流过公共导线时产生的阻抗压降,若叠加在信号电压上,将产生很大误差或造成系统故障。
2.5瞬变干扰
  载有大电流并具有大电感及大的储能电容的电路,在能量转换(切换)过程中,将产生很大的电压电流变换率。另外,有些频率很高的脉冲信号虽然能量不大,但其频率高,波形前后沿很陡,也会产生很大的电压电流变化率;这些信号通过交流电源线、线间电感分布电容、公共阻抗及向空间辐射等方式,被耦合到其他信号及控制回路,这些电气干扰信号叠加在有用信号上,将使信号产生畸变,有时完全覆盖了有用信号。破坏系统的正常运行,或降低系统及设备的抗干扰容限,而使系统经常发生故障。
2.6长线反射
  长线又称传输线,其特性可用延迟时间T(信号经过单位长度传输线所需的时间)特性、阻抗Z0(又称波阻抗,为传输线对信号所呈现的阻抗)及衰减系数α来描述。在通常情况下,传输线可以认为是无损耗线,因此可以不考虑衰减系数α。同时,对于无损耗线,T及Z0只是分布电感和分布电容的函数。所谓长线和短线是相对于传输信号的上升时间和下降时间而言;当连线的延迟时间远小于传输信号的上升和下降时间称为短线,这种信号线不必进行阻抗匹配。若不满足这一条件的传输线路,应在终端及首端进行阻抗匹配,以抑制长线反射对系统的干扰。当连接长度超过最大不匹配线长度Lmax时,则称为长线。
 
2.7串扰
  串扰和反射是信号传输过程中产生的两大主要噪声,当若干信号平行且距离很近时,由于线间互感和互容的存在,产生CMdv/dt和LMdi/dt,在相邻信号线之间产生的干扰,通称为串扰。传输线中的耦合阻抗Zc与传输线阻抗Zo的比值Zc/Zo越大越好,当两根信号线紧密靠近在一起,其Zc 很小,当信号线与地线离得很远,则Zo很大,这时Zc/Zo很小,说明信号线之间串扰严重。
2.8共模与常模干扰
  常模干扰又称串模、差动干扰、对称干扰或线间感应干扰等,干扰侵入往返两条信号线,方向与信号电流方向一致;串模干扰一种是由信号源产生,一种是传输过程中由电磁感应产生,它和信号串在一起且同相位,这种干扰一般比较难以抑制。共模干扰又称对地感应干扰或不对称干扰,干扰侵入线路和地线之间,干扰电流在两条线上各流过二分之一,以地为公共回路;原则上讲,这种干扰比较容易消除。在实际电路中由于线路阻抗不平衡,使共模干扰常常转化为不易消除的串模干扰。
  共模干扰有交直流之分,交流共模干扰分布很广,直流共模干扰由直流接地电位差产生,接地不良或泄漏电流产生的共模干扰常常转化为常模干扰后才暴露出来,通常输出线与大地或机壳之间所产生的都属于共模干扰,抑制共模干扰的方法很多,如;屏蔽、接地、隔离等,抗干扰技术在很多方面是围绕着共模干扰来研究,由于传输过程中产生的串模干扰可以利用双绞线加以消除比较有效。
 
3.电磁兼容技术
  电磁兼容(EMC)是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科,涉及到电子、计算机、通信、航空航天、铁路交通、电力、军事以至人民生活各个方面。在当今信息社会,随着电子技术、计算机技术的发展,一个系统中采用的电气及电子设备数量大大增加,而且电气设备的频带日益加宽,功率逐渐增大,灵敏读提高,连接各种设备的电缆网络也越来越复杂,在控制系统中以计算机和微处理器为基础的装置应用也越来越广泛,因此电磁兼容问题也日显重要。本文就目前国内外在电磁兼容技术的内容和发展趋势作以论述和探讨。
  电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC )简单地说是指各种电子设备和系统可以在同一电磁环境中相容地工作,既不受周围电磁环境的影响,有不影响周围环境,也不会因电磁环境导致系统性能变差或产生误动作,而按原设计要求的可靠工作能力运行,对控制系统EMC问题的考虑必须贯穿产品研制的整个过程。根据电磁性的基本原理,形成的电磁干扰(EMI)必须同时具备三个要素:电磁干扰源,电磁干扰的偶合路径,对电磁干扰敏感系统。
3.1电磁环境评价
  通过实测或数字仿真等手段,对设备在运行时可能受到的电磁干扰水平(幅值、频率、波形等)进行估计,例如利用可移动的电磁兼容测试车对高压输电设备、线路或变电站产生的各种干扰进行实测,或通过电磁暂态计算程序对可能产生的瞬变电磁场进行数字仿真,电磁环境评价是电磁兼容技术的重要组成部分,是抗干扰设计的基础。
 
3.2电磁干扰耦合路径
  弄清干扰产生的电磁骚扰,通过何种路径到达被干扰对象,一般来说,干扰可分为传导(Conducted)型干扰和辐射(Radiated)型干扰两大类,传导型干扰是指电磁骚扰通过电源线路、接地线和信号线传播到对象所造成的干扰,例如,通过电源线传入的雷电冲击源产生的干扰,辐射干扰是指通过电磁源空间传播到敏感设备的干扰,例如,输电线路电晕产生的无线电干扰或电视干扰即属于辐射型干扰,研究干扰的耦合途径,对制定抗干扰的措施、消除或抑制干扰具有重要的意义。
3.3电磁干扰评价
  研究系统中各类微电子设备的耐受电磁干扰能力,一般是采用试验来模拟运行中可能出现的干扰,并在设备尽可能接近工作条件下,试验被试设备是否产生误动或永久性损坏,设备的抗干扰性决定于设备的工作原理,电子线路布置,工作信号电平,以及所采取的抗干扰措施,随着强电设备和微电子设备一体化进程的加快,任何评价这些设备耐受干扰的能力,研究实用有效的试验方法,制定评价标准将成为控制系统电磁兼容技术的重要课题。
3.4电能质量
  国际大电网会议36学术委员会(电力系统电磁兼容)把电能质量控制也列入电磁兼容的范畴,研究频率变化、谐波、电压闪变、电压豫降等对用户设备性能的影响。
  公众对工频电磁场对人体健康可能产生有害影响的疑虑,已成为一些国家高压输电发展的制约因素,致游离辐射,如X射线、伽马射线对人体健康产生的影响已经为人所熟悉,非致游离辐射(Non—ionizing Radiation),包括低频电磁场是否对生物系统,特别是对人类的健康产生有害的影响,始终是一个悬而未决的问题。尽管全球的科学家对此进行了大量的研究,由于此问题极其复杂,至今尚难以得出结论,预测未来在此领域需要开展更多的研究课题。

 

作者:周志敏 山东莱芜钢铁集团公司动力部 合作媒体:电力自动化产品信息网 编辑:顾北

 

 

 
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