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自動化系統抗干擾技術(一)
[ 通信界 / 周志敏 山東萊蕪鋼鐵集團公司動力部 / m.6611o.com / 2009/1/20 17:18:32 ]
 
  摘  要:文中介紹并分析了影響自動化控制系統工作可靠性的各類干擾和自動化控制系統的電磁兼容性。 
  關鍵詞:可靠性 干擾源 電磁兼容性 
 
 
1.概述
  隨著微處理技術、計算機網絡技術、信息通信技術、多媒體技術、自動控制技術、檢測技術、電力電子技術及人工智能技術的發展和應用,在21世紀人類即將跨入信息時代的門檻。各類高新技術在各領域的推廣應用,使得各類系統的自動化程度不斷的提高,這就要求以微處理器為核心的智能化的系列產品具有高的可靠性,而智能化產品的可靠性,在很大程度上取決于其抗干擾能力,因此也決定了整個系統的可靠性。一般侵入系統的干擾有時能直接造成系統的硬件損壞,有時雖不能損壞系統的硬件,但常使微處理器的系統程序運行失控,導致控制失靈,從而造成設備和生產事故。因此,如何提高系統的抗干擾能力和可靠性是自動化裝置研制和應用中不可忽視的重要內容,也是計算機控制技術應用和推廣的關鍵之一。在自動化控制系統的可靠性和抗干擾措施設計中,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計,都要把抗干擾技術貫穿于應用系統設計的全過程。
2.干擾與干擾源
  干擾就是外部噪聲和無用信號在接收中所造成的騷擾,以路的傳導和以場的耦合形式侵入自動化控制系統。干擾有多種來源,按其產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為核心的設備,在其外部若有大電流載導體所產生的恒定及瞬變電場,將通過載電導體與微電子設備間存在的雜散電容耦合到受擾設備的導線而形成靜電干擾。大電流開關裝置及晶閘管整流裝置等在切斷電感性負載電流時也將出現靜電干擾。如圖1所示;圖中A為浮充電源,當開關B閉合時,電流將流過電感L儲能,在打開開關B的瞬間,電流將通過開關B的電弧而衰減,當電流衰減到某一數值(開關觸點達到一定行程時)電弧熄滅,儲存在電感L中的磁能(1/2LI2)將對線間雜散電容充電轉化為電能儲存起來,或通過雜散電容耦合到其他靈敏的信號電路產生靜電干擾。

 
2.2靜磁干擾(電磁感應)
  靜磁干擾主要指電磁場在線路、導線、殼體上的輻射、吸收與調制。干擾來自系統的內部和外部,電流變化大或大電流工作場合是產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合是產生電容性耦合噪聲的主要干擾源。如;交流載體,如交流動力線、電動機、發電機、變壓器等,必將在載體周圍空間產生工頻磁場,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,通過較長的信號傳輸線送到計算機控制室時,在信號傳輸的途中經常會受到這種交變磁場的干擾。
2.3電磁波干擾
  大功率的高頻發生裝置(高頻加熱爐)晶閘管變流裝置,整流子電動機的電刷滑動、開關、繼電器、接觸器等接點開斷時產生的電弧、電焊機的弧光,電車集電環產生的火花,以及航空雷達信號等,都將產生強烈的高頻電磁波,以空間輻射的形式干擾其他電子設備。
2.4公共阻抗噪聲
  電子設備的輸入信號、輸出信號和各部分之間,通常以系統電源公用線作為參考點,這些電源公共零線上通常存在著分布電阻、電容及電感,電流流過時將產生壓降,在瞬變過程中其影響將更為嚴重。當系統中包含有線性放大器時,電流流過公共導線時產生的阻抗壓降,若疊加在信號電壓上,將產生很大誤差或造成系統故障。
2.5瞬變干擾
  載有大電流并具有大電感及大的儲能電容的電路,在能量轉換(切換)過程中,將產生很大的電壓電流變換率。另外,有些頻率很高的脈沖信號雖然能量不大,但其頻率高,波形前后沿很陡,也會產生很大的電壓電流變化率;這些信號通過交流電源線、線間電感分布電容、公共阻抗及向空間輻射等方式,被耦合到其他信號及控制回路,這些電氣干擾信號疊加在有用信號上,將使信號產生畸變,有時完全覆蓋了有用信號。破壞系統的正常運行,或降低系統及設備的抗干擾容限,而使系統經常發生故障。
2.6長線反射
  長線又稱傳輸線,其特性可用延遲時間T(信號經過單位長度傳輸線所需的時間)特性、阻抗Z0(又稱波阻抗,為傳輸線對信號所呈現的阻抗)及衰減系數α來描述。在通常情況下,傳輸線可以認為是無損耗線,因此可以不考慮衰減系數α。同時,對于無損耗線,T及Z0只是分布電感和分布電容的函數。所謂長線和短線是相對于傳輸信號的上升時間和下降時間而言;當連線的延遲時間遠小于傳輸信號的上升和下降時間稱為短線,這種信號線不必進行阻抗匹配。若不滿足這一條件的傳輸線路,應在終端及首端進行阻抗匹配,以抑制長線反射對系統的干擾。當連接長度超過最大不匹配線長度Lmax時,則稱為長線。
 
2.7串擾
  串擾和反射是信號傳輸過程中產生的兩大主要噪聲,當若干信號平行且距離很近時,由于線間互感和互容的存在,產生CMdv/dt和LMdi/dt,在相鄰信號線之間產生的干擾,通稱為串擾。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,當兩根信號線緊密靠近在一起,其Zc 很小,當信號線與地線離得很遠,則Zo很大,這時Zc/Zo很小,說明信號線之間串擾嚴重。
2.8共模與常模干擾
  常模干擾又稱串模、差動干擾、對稱干擾或線間感應干擾等,干擾侵入往返兩條信號線,方向與信號電流方向一致;串模干擾一種是由信號源產生,一種是傳輸過程中由電磁感應產生,它和信號串在一起且同相位,這種干擾一般比較難以抑制。共模干擾又稱對地感應干擾或不對稱干擾,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。在實際電路中由于線路阻抗不平衡,使共模干擾常常轉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生,接地不良或泄漏電流產生的共模干擾常常轉化為常模干擾后才暴露出來,通常輸出線與大地或機殼之間所產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,抗干擾技術在很多方面是圍繞著共模干擾來研究,由于傳輸過程中產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
  電磁兼容(EMC)是指設備或系統在所處的電磁環境中能正常工作且不對環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容技術是一門迅速發展的交叉學科,涉及到電子、計算機、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個方面。在當今信息社會,隨著電子技術、計算機技術的發展,一個系統中采用的電氣及電子設備數量大大增加,而且電氣設備的頻帶日益加寬,功率逐漸增大,靈敏讀提高,連接各種設備的電纜網絡也越來越復雜,在控制系統中以計算機和微處理器為基礎的裝置應用也越來越廣泛,因此電磁兼容問題也日顯重要。本文就目前國內外在電磁兼容技術的內容和發展趨勢作以論述和探討。
  電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC )簡單地說是指各種電子設備和系統可以在同一電磁環境中相容地工作,既不受周圍電磁環境的影響,有不影響周圍環境,也不會因電磁環境導致系統性能變差或產生誤動作,而按原設計要求的可靠工作能力運行,對控制系統EMC問題的考慮必須貫穿產品研制的整個過程。根據電磁性的基本原理,形成的電磁干擾(EMI)必須同時具備三個要素:電磁干擾源,電磁干擾的偶合路徑,對電磁干擾敏感系統。
3.1電磁環境評價
  通過實測或數字仿真等手段,對設備在運行時可能受到的電磁干擾水平(幅值、頻率、波形等)進行估計,例如利用可移動的電磁兼容測試車對高壓輸電設備、線路或變電站產生的各種干擾進行實測,或通過電磁暫態計算程序對可能產生的瞬變電磁場進行數字仿真,電磁環境評價是電磁兼容技術的重要組成部分,是抗干擾設計的基礎。
 
3.2電磁干擾耦合路徑
  弄清干擾產生的電磁騷擾,通過何種路徑到達被干擾對象,一般來說,干擾可分為傳導(Conducted)型干擾和輻射(Radiated)型干擾兩大類,傳導型干擾是指電磁騷擾通過電源線路、接地線和信號線傳播到對象所造成的干擾,例如,通過電源線傳入的雷電沖擊源產生的干擾,輻射干擾是指通過電磁源空間傳播到敏感設備的干擾,例如,輸電線路電暈產生的無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電磁干擾評價
  研究系統中各類微電子設備的耐受電磁干擾能力,一般是采用試驗來模擬運行中可能出現的干擾,并在設備盡可能接近工作條件下,試驗被試設備是否產生誤動或永久性損壞,設備的抗干擾性決定于設備的工作原理,電子線路布置,工作信號電平,以及所采取的抗干擾措施,隨著強電設備和微電子設備一體化進程的加快,任何評價這些設備耐受干擾的能力,研究實用有效的試驗方法,制定評價標準將成為控制系統電磁兼容技術的重要課題。
3.4電能質量
  國際大電網會議36學術委員會(電力系統電磁兼容)把電能質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、電壓豫降等對用戶設備性能的影響。
  公眾對工頻電磁場對人體健康可能產生有害影響的疑慮,已成為一些國家高壓輸電發展的制約因素,致游離輻射,如X射線、伽馬射線對人體健康產生的影響已經為人所熟悉,非致游離輻射(Non—ionizing Radiation),包括低頻電磁場是否對生物系統,特別是對人類的健康產生有害的影響,始終是一個懸而未決的問題。盡管全球的科學家對此進行了大量的研究,由于此問題極其復雜,至今尚難以得出結論,預測未來在此領域需要開展更多的研究課題。

 

作者:周志敏 山東萊蕪鋼鐵集團公司動力部 合作媒體:電力自動化產品信息網 編輯:顧北

 

 

 
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