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自動(dòng)化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)(一)
[ 通信界 / 周志敏 山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)公司動(dòng)力部 / www.6611o.com / 2009/1/20 17:18:32 ]
 
  摘  要:文中介紹并分析了影響自動(dòng)化控制系統(tǒng)工作可靠性的各類干擾和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的電磁兼容性。 
  關(guān)鍵詞:可靠性 干擾源 電磁兼容性 
 
 
1.概述
  隨著微處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息通信技術(shù)、多媒體技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、電力電子技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,在21世紀(jì)人類即將跨入信息時(shí)代的門檻。各類高新技術(shù)在各領(lǐng)域的推廣應(yīng)用,使得各類系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不斷的提高,這就要求以微處理器為核心的智能化的系列產(chǎn)品具有高的可靠性,而智能化產(chǎn)品的可靠性,在很大程度上取決于其抗干擾能力,因此也決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。一般侵入系統(tǒng)的干擾有時(shí)能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞,有時(shí)雖不能損壞系統(tǒng)的硬件,但常使微處理器的系統(tǒng)程序運(yùn)行失控,導(dǎo)致控制失靈,從而造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此,如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性是自動(dòng)化裝置研制和應(yīng)用中不可忽視的重要內(nèi)容,也是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾措施設(shè)計(jì)中,從總體方案、器件選擇、電路板的布局及布線到軟件程序的設(shè)計(jì),都要把抗干擾技術(shù)貫穿于應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。
2.干擾與干擾源
  干擾就是外部噪聲和無(wú)用信號(hào)在接收中所造成的騷擾,以路的傳導(dǎo)和以場(chǎng)的耦合形式侵入自動(dòng)化控制系統(tǒng)。干擾有多種來(lái)源,按其產(chǎn)生與傳播方式可分為以下幾類:
2.1靜電干擾
  電子和以微處理器技術(shù)為核心的設(shè)備,在其外部若有大電流載導(dǎo)體所產(chǎn)生的恒定及瞬變電場(chǎng),將通過(guò)載電導(dǎo)體與微電子設(shè)備間存在的雜散電容耦合到受擾設(shè)備的導(dǎo)線而形成靜電干擾。大電流開(kāi)關(guān)裝置及晶閘管整流裝置等在切斷電感性負(fù)載電流時(shí)也將出現(xiàn)靜電干擾。如圖1所示;圖中A為浮充電源,當(dāng)開(kāi)關(guān)B閉合時(shí),電流將流過(guò)電感L儲(chǔ)能,在打開(kāi)開(kāi)關(guān)B的瞬間,電流將通過(guò)開(kāi)關(guān)B的電弧而衰減,當(dāng)電流衰減到某一數(shù)值(開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)達(dá)到一定行程時(shí))電弧熄滅,儲(chǔ)存在電感L中的磁能(1/2LI2)將對(duì)線間雜散電容充電轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái),或通過(guò)雜散電容耦合到其他靈敏的信號(hào)電路產(chǎn)生靜電干擾。

 
2.2靜磁干擾(電磁感應(yīng))
  靜磁干擾主要指電磁場(chǎng)在線路、導(dǎo)線、殼體上的輻射、吸收與調(diào)制。干擾來(lái)自系統(tǒng)的內(nèi)部和外部,電流變化大或大電流工作場(chǎng)合是產(chǎn)生電感性耦合噪聲的主要干擾源。電壓變化大或高電壓工作場(chǎng)合是產(chǎn)生電容性耦合噪聲的主要干擾源。如;交流載體,如交流動(dòng)力線、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等,必將在載體周圍空間產(chǎn)生工頻磁場(chǎng),干擾其周圍的電路及電子裝置。如變送器、熱電阻(偶)等弱小信號(hào),通過(guò)較長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線送到計(jì)算機(jī)控制室時(shí),在信號(hào)傳輸?shù)耐局薪?jīng)常會(huì)受到這種交變磁場(chǎng)的干擾。
2.3電磁波干擾
  大功率的高頻發(fā)生裝置(高頻加熱爐)晶閘管變流裝置,整流子電動(dòng)機(jī)的電刷滑動(dòng)、開(kāi)關(guān)、繼電器、接觸器等接點(diǎn)開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生的電弧、電焊機(jī)的弧光,電車集電環(huán)產(chǎn)生的火花,以及航空雷達(dá)信號(hào)等,都將產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻電磁波,以空間輻射的形式干擾其他電子設(shè)備。
2.4公共阻抗噪聲
  電子設(shè)備的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和各部分之間,通常以系統(tǒng)電源公用線作為參考點(diǎn),這些電源公共零線上通常存在著分布電阻、電容及電感,電流流過(guò)時(shí)將產(chǎn)生壓降,在瞬變過(guò)程中其影響將更為嚴(yán)重。當(dāng)系統(tǒng)中包含有線性放大器時(shí),電流流過(guò)公共導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的阻抗壓降,若疊加在信號(hào)電壓上,將產(chǎn)生很大誤差或造成系統(tǒng)故障。
2.5瞬變干擾
  載有大電流并具有大電感及大的儲(chǔ)能電容的電路,在能量轉(zhuǎn)換(切換)過(guò)程中,將產(chǎn)生很大的電壓電流變換率。另外,有些頻率很高的脈沖信號(hào)雖然能量不大,但其頻率高,波形前后沿很陡,也會(huì)產(chǎn)生很大的電壓電流變化率;這些信號(hào)通過(guò)交流電源線、線間電感分布電容、公共阻抗及向空間輻射等方式,被耦合到其他信號(hào)及控制回路,這些電氣干擾信號(hào)疊加在有用信號(hào)上,將使信號(hào)產(chǎn)生畸變,有時(shí)完全覆蓋了有用信號(hào)。破壞系統(tǒng)的正常運(yùn)行,或降低系統(tǒng)及設(shè)備的抗干擾容限,而使系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障。
2.6長(zhǎng)線反射
  長(zhǎng)線又稱傳輸線,其特性可用延遲時(shí)間T(信號(hào)經(jīng)過(guò)單位長(zhǎng)度傳輸線所需的時(shí)間)特性、阻抗Z0(又稱波阻抗,為傳輸線對(duì)信號(hào)所呈現(xiàn)的阻抗)及衰減系數(shù)α來(lái)描述。在通常情況下,傳輸線可以認(rèn)為是無(wú)損耗線,因此可以不考慮衰減系數(shù)α。同時(shí),對(duì)于無(wú)損耗線,T及Z0只是分布電感和分布電容的函數(shù)。所謂長(zhǎng)線和短線是相對(duì)于傳輸信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間而言;當(dāng)連線的延遲時(shí)間遠(yuǎn)小于傳輸信號(hào)的上升和下降時(shí)間稱為短線,這種信號(hào)線不必進(jìn)行阻抗匹配。若不滿足這一條件的傳輸線路,應(yīng)在終端及首端進(jìn)行阻抗匹配,以抑制長(zhǎng)線反射對(duì)系統(tǒng)的干擾。當(dāng)連接長(zhǎng)度超過(guò)最大不匹配線長(zhǎng)度Lmax時(shí),則稱為長(zhǎng)線。
 
2.7串?dāng)_
  串?dāng)_和反射是信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的兩大主要噪聲,當(dāng)若干信號(hào)平行且距離很近時(shí),由于線間互感和互容的存在,產(chǎn)生CMdv/dt和LMdi/dt,在相鄰信號(hào)線之間產(chǎn)生的干擾,通稱為串?dāng)_。傳輸線中的耦合阻抗Zc與傳輸線阻抗Zo的比值Zc/Zo越大越好,當(dāng)兩根信號(hào)線緊密靠近在一起,其Zc 很小,當(dāng)信號(hào)線與地線離得很遠(yuǎn),則Zo很大,這時(shí)Zc/Zo很小,說(shuō)明信號(hào)線之間串?dāng)_嚴(yán)重。
2.8共模與常模干擾
  常模干擾又稱串模、差動(dòng)干擾、對(duì)稱干擾或線間感應(yīng)干擾等,干擾侵入往返兩條信號(hào)線,方向與信號(hào)電流方向一致;串模干擾一種是由信號(hào)源產(chǎn)生,一種是傳輸過(guò)程中由電磁感應(yīng)產(chǎn)生,它和信號(hào)串在一起且同相位,這種干擾一般比較難以抑制。共模干擾又稱對(duì)地感應(yīng)干擾或不對(duì)稱干擾,干擾侵入線路和地線之間,干擾電流在兩條線上各流過(guò)二分之一,以地為公共回路;原則上講,這種干擾比較容易消除。在實(shí)際電路中由于線路阻抗不平衡,使共模干擾常常轉(zhuǎn)化為不易消除的串模干擾。
  共模干擾有交直流之分,交流共模干擾分布很廣,直流共模干擾由直流接地電位差產(chǎn)生,接地不良或泄漏電流產(chǎn)生的共模干擾常常轉(zhuǎn)化為常模干擾后才暴露出來(lái),通常輸出線與大地或機(jī)殼之間所產(chǎn)生的都屬于共模干擾,抑制共模干擾的方法很多,如;屏蔽、接地、隔離等,抗干擾技術(shù)在很多方面是圍繞著共模干擾來(lái)研究,由于傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的串模干擾可以利用雙絞線加以消除比較有效。
 
3.電磁兼容技術(shù)
  電磁兼容(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容技術(shù)是一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科,涉及到電子、計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個(gè)方面。在當(dāng)今信息社會(huì),隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,一個(gè)系統(tǒng)中采用的電氣及電子設(shè)備數(shù)量大大增加,而且電氣設(shè)備的頻帶日益加寬,功率逐漸增大,靈敏讀提高,連接各種設(shè)備的電纜網(wǎng)絡(luò)也越來(lái)越復(fù)雜,在控制系統(tǒng)中以計(jì)算機(jī)和微處理器為基礎(chǔ)的裝置應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,因此電磁兼容問(wèn)題也日顯重要。本文就目前國(guó)內(nèi)外在電磁兼容技術(shù)的內(nèi)容和發(fā)展趨勢(shì)作以論述和探討。
  電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC )簡(jiǎn)單地說(shuō)是指各種電子設(shè)備和系統(tǒng)可以在同一電磁環(huán)境中相容地工作,既不受周圍電磁環(huán)境的影響,有不影響周圍環(huán)境,也不會(huì)因電磁環(huán)境導(dǎo)致系統(tǒng)性能變差或產(chǎn)生誤動(dòng)作,而按原設(shè)計(jì)要求的可靠工作能力運(yùn)行,對(duì)控制系統(tǒng)EMC問(wèn)題的考慮必須貫穿產(chǎn)品研制的整個(gè)過(guò)程。根據(jù)電磁性的基本原理,形成的電磁干擾(EMI)必須同時(shí)具備三個(gè)要素:電磁干擾源,電磁干擾的偶合路徑,對(duì)電磁干擾敏感系統(tǒng)。
3.1電磁環(huán)境評(píng)價(jià)
  通過(guò)實(shí)測(cè)或數(shù)字仿真等手段,對(duì)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)可能受到的電磁干擾水平(幅值、頻率、波形等)進(jìn)行估計(jì),例如利用可移動(dòng)的電磁兼容測(cè)試車對(duì)高壓輸電設(shè)備、線路或變電站產(chǎn)生的各種干擾進(jìn)行實(shí)測(cè),或通過(guò)電磁暫態(tài)計(jì)算程序?qū)赡墚a(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字仿真,電磁環(huán)境評(píng)價(jià)是電磁兼容技術(shù)的重要組成部分,是抗干擾設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
 
3.2電磁干擾耦合路徑
  弄清干擾產(chǎn)生的電磁騷擾,通過(guò)何種路徑到達(dá)被干擾對(duì)象,一般來(lái)說(shuō),干擾可分為傳導(dǎo)(Conducted)型干擾和輻射(Radiated)型干擾兩大類,傳導(dǎo)型干擾是指電磁騷擾通過(guò)電源線路、接地線和信號(hào)線傳播到對(duì)象所造成的干擾,例如,通過(guò)電源線傳入的雷電沖擊源產(chǎn)生的干擾,輻射干擾是指通過(guò)電磁源空間傳播到敏感設(shè)備的干擾,例如,輸電線路電暈產(chǎn)生的無(wú)線電干擾或電視干擾即屬于輻射型干擾,研究干擾的耦合途徑,對(duì)制定抗干擾的措施、消除或抑制干擾具有重要的意義。
3.3電磁干擾評(píng)價(jià)
  研究系統(tǒng)中各類微電子設(shè)備的耐受電磁干擾能力,一般是采用試驗(yàn)來(lái)模擬運(yùn)行中可能出現(xiàn)的干擾,并在設(shè)備盡可能接近工作條件下,試驗(yàn)被試設(shè)備是否產(chǎn)生誤動(dòng)或永久性損壞,設(shè)備的抗干擾性決定于設(shè)備的工作原理,電子線路布置,工作信號(hào)電平,以及所采取的抗干擾措施,隨著強(qiáng)電設(shè)備和微電子設(shè)備一體化進(jìn)程的加快,任何評(píng)價(jià)這些設(shè)備耐受干擾的能力,研究實(shí)用有效的試驗(yàn)方法,制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將成為控制系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的重要課題。
3.4電能質(zhì)量
  國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議36學(xué)術(shù)委員會(huì)(電力系統(tǒng)電磁兼容)把電能質(zhì)量控制也列入電磁兼容的范疇,研究頻率變化、諧波、電壓閃變、電壓豫降等對(duì)用戶設(shè)備性能的影響。
  公眾對(duì)工頻電磁場(chǎng)對(duì)人體健康可能產(chǎn)生有害影響的疑慮,已成為一些國(guó)家高壓輸電發(fā)展的制約因素,致游離輻射,如X射線、伽馬射線對(duì)人體健康產(chǎn)生的影響已經(jīng)為人所熟悉,非致游離輻射(Non—ionizing Radiation),包括低頻電磁場(chǎng)是否對(duì)生物系統(tǒng),特別是對(duì)人類的健康產(chǎn)生有害的影響,始終是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。盡管全球的科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了大量的研究,由于此問(wèn)題極其復(fù)雜,至今尚難以得出結(jié)論,預(yù)測(cè)未來(lái)在此領(lǐng)域需要開(kāi)展更多的研究課題。

 

作者:周志敏 山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)公司動(dòng)力部 合作媒體:電力自動(dòng)化產(chǎn)品信息網(wǎng) 編輯:顧北

 

 

 
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