第六章计算机控制系统抗干扰技术资料Word下载.docx
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2、共模干扰及其抑制方法
共模干扰是指同时加到计算机控制系统两个输入端上的公有的干扰电压。
1）采用共模抑制比高的、双端输入运算放大器。
2）采用光耦合器或变压器隔离，如图。
3）采用隔离放大器。
利用隔离放大器完成对测量的信号的放大及模拟信号与传输通道的隔离。
I／O接口和通道还应采取下述几种措施：
1）尽量缩短信号线的长度。
2）不用的输入端子不能悬空，必须通过负载电阻接到电源线上。
3）为防止电磁感应，信号线应采用屏蔽线。
除此之外还应考虑：
电源与供电系统，系统的接地等，这些方面都要采取抗干扰措施，才能更好的提高系统的可靠性。
自动化系统所使用的各种类型PLC中，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。
要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。
一、电磁干扰类型及其影响
影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是干扰源。
干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质来划分。
按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；
按噪声的波形、性质不同，可分为持续噪声、偶发噪声等；
按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。
共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。
共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。
共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。
共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。
差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。
二、电磁干扰的主要来源
（一）来自空间的辐射干扰
空间辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。
若PLC系统置于其射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：
一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；
二是对PLC通信网络的辐射，由通信线路感应引入干扰。
辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护
（二）来自系统外引线的干扰
主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。
这种干扰在我国工业现场较为严重，主要有下面三类：
1．来自电源的干扰
实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的PLC电源问题才得到解决。
PLC系统的正常供电电源均由电网供电，由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流，尤其是电网内部的变化、开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。
PLC电源通常采用隔离电源，但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性并不理想。
实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。
2．来自信号线引入的干扰
与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。
此干扰主要有两种途径：
（1）通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；
（2）信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这种往往非常严重。
由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。
对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。
PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。
3．来自接地系统混乱的干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一，正确的接地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；
而错误的接地反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。
例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层。
当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。
此外，屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。
若系统地与其他接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。
PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。
模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。
（三）来自PLC系统内部的干扰
主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。
这都属于PLC制造厂家对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
二、抗干扰设计
为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：
抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力。
这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。
PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具体情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。
进行具体工程的抗干扰设计时，应主要注意以下两个方面。
1．设备选型
在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性，尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；
其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等；
另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。
在选择国外进口产品要注意，我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。
由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高。
在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准（GB/T13926）合理选择。
2．综合抗干扰设计
主要考虑来自系统外部的几种抑制措施，内容包括：
对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；
对外引线进行隔离、滤波，特别是动力电缆应分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；
正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。
另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。
三、主要抗干扰措施
（一）采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰
在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。
电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。
现在对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电电源以及和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源，并没受到足够的重视。
虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。
所以对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。
此外，为保证电网馈电不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。
而且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。
（二）正确选择电缆的和实施敷设
为了减少动力电缆尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁干扰，笔者在某工程中采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，降低了动力线产生的电磁干扰，该工程投产后取得了满意的效果。
不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。
（三）硬件滤波及软件抗干扰措施
信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；
在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。
由于电磁干扰的复杂性，要根本消除干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。
常用的一些提高软件结构可靠性的措施包括：
数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；
定时校正参考点电位，并采用动态零点，可防止电位漂移；
采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；
采用间接跳转，设置软件保护等。
（四）正确选择接地点，完善接地系统
接地的目的通常有两个：
（1）为了安全，
（2）为了抑制干扰。
完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
系统接地有浮地、直接接地和电容接地三种方式。
对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。
由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以，PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。
集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。
如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式，用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。
接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。
接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10m～15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；
不接地时，应在PLC侧接地；
信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地。
多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。
四、本文小结
PLC控制系统的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作,保证工业设备安全高效运行。
2.硬件抗干扰技术
嵌入式系统硬件抗干扰技术
摘要:
嵌入式系统中,抗干扰性能是系统可靠性的重要指标，结合自身的实践，介绍电源、空间电磁、信号传输通道、印制板等方面抗干扰的几种行之有效的办法。
同时提出正确选择元器件的重要性，探讨选择方法。
关键词:
嵌入式系统，硬件，抗干扰
1
引言
在嵌入式系统中，系统的抗干扰技术是系统可靠性的重要方面。
一个系统的正确与否,不仅取决于系统的设计思想和方法，同时还取决于系统的抗干扰措施。
嵌入式系统的干扰源一般有三个渠道:
一是空间干扰,电磁信号通过空间辐射进入系统；
二是过程通道干扰，干扰信号通过与系统相连的前、后通道及与其它系统的连接通道进入，它叠加在有用信号之上，扰乱信号传输，使有效信号产生畸变。
使得数据采集误差加大，导致控制状态失灵，导致程序运行失常；
三是系统干扰，电磁信号通过供电通道进入系统或系统本身产生干扰。
虽然抗干扰问题是嵌入式系统在实际应用中最令人头疼的问题，而且没有一定之规,也没有一成不变的方法,但若进行科学的分析并加以合理的设计，采取一定的措施，将系统的硬件和软件结合起来,是可以有效地提高应用系统的可靠性的。
随着现代半导体技术的高速发展,在嵌入式系统的设计中不断地采用一些新的可靠性措施和抗干扰技术,使其可靠性有了明显的提高。
本文结合自身的实践,提出几种硬件的抗干扰方法。
2
电源干扰及其抑制
由于嵌入式系统所处的工业环境，电机的起停、接触器的通断，往往会造成电源电压波动，必须采取有效措施进行抑制。
用压敏电阻抑制尖峰、浪涌电压。
压敏电阻两端的电压如超过其限定值时，电流会迅速增大，呈短路状态，利用这一特点，可以用它吸收瞬间的尖峰、浪涌电压。
压敏电阻并联在电源变压器的初、次级，加入压敏电阻后，电源干扰造成嵌入式系统程序失控的可能性减小。
设V为交流电压有效值，则压敏电压的计算公式为：
VIMA=1.56×
32×
V。
用滤波器抑制高频干扰。
市电中含有多种高次谐波，它们很容易经电源进入嵌入式系统，电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。
图1是对共模和差模噪声都有效的低通滤波器电路。
其中，L1、L2、C1抑制差模噪声；
L3、C2、C3抑制共模噪声。
图1
滤波器电路
设计电源电压监视电路。
电源监视电路的设计是抗干扰的一个有效方法，如X25045、TT7705、MAX813L等芯片均可设计该电路。
一般可达到以下功能：
一是监视电源电压瞬时短路、瞬时降压、微秒级脉冲干扰和掉电；
二是及时输出供CPU接受的复位信号及中断信号。
3
抑制空间电磁干扰
高频电源、交流电源、强电设备、电弧产生的电火花，甚至雷电，都能产生电磁波，成为电磁干扰的噪声源。
对此可采取屏蔽技术。
屏蔽技术是利用金属材料对于电磁波具有较好的吸收和反射能力来进行抗干扰的。
将普通的信号线换为屏蔽线，屏蔽层良好接地，使现场中的干扰信号不容易串入系统中。
静电屏蔽，即电场屏蔽，防止电场的耦合干扰；
电磁屏蔽，即利用导电性良好的金属在电磁场内产生涡流效应，防止高频电磁场的干扰；
磁屏蔽，采用高导材料，防止低频磁通的干扰。
4
信号传输通道抗干扰
信号传输通道包括系统的前向通道和后向通道，对信号传输通道的可靠性设计可从以下几个方面着手。
利用光电耦合器及滤波器对输入、输出信号采用光电隔离措施,可将微处理器与前向通道、后向通道及其他部分从电气上隔离开来,有效地防止干扰的侵入。
对电路板的输入信号及源自高噪声区的信号加滤波器滤波，进一步加强抗干扰性。
采用负载阻抗匹配的措施,减小信号传输中的畸变。
将高速CMOS芯片输出端通过一段长引线输入高阻抗的另一电路输入端,反射现象就很严重,它会引起信号畸变,增加系统噪声。
对此可采用负载阻抗匹配的措施,使传输线两端的负载阻抗和源阻抗与传输线特性阻抗相等,或在源端和负载端加入RLC网络与传输线的阻抗匹配,消除数字信号在传输过程中由于反射、振铃和交叉干扰作用而产生的畸变。
采用双绞线传输减少传输线特性阻抗影响，传输线的特性阻抗分布参数必然会影响信号传输，当传输线较长时其阻抗不可忽视,它的分布参数包括寄生电容和分布电感。
此时为减少传输线特性阻抗的影响,采用阻抗匹配双绞线可实现阻抗匹配,若同时与光电耦合器或者平衡输入接收器和输出驱动器联合使用,效果会更好。
图2所示为双绞线与光电耦合器配合使用的情况,图中光敏三极管引出基极接并联RC电路,其中R取值10MΩ～20MΩ,C取值10pF～0.1μF,三极管集电极接施密特门电路。
图2双绞线与光电耦合器配合使用图
此外,在微处理器运行期间,芯片的悬空引脚尤其是悬空输入引脚常给系统带来不可预测的控制紊乱,因此为提高系统的稳定性需处理好未用悬置的引脚。
通常可将微处理器未用引脚接高电平或接地,或定义成输出端;
未用的外部中断接高电平;
未用的运放同相输入端接地,反相输入端接输出端等。
5
印制电路板可靠性和抗干扰设计
印制电路板是嵌入式系统中，器件、信号、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力的影响很大。
设计时应合理走线、合理接地，三总线分开走线.。
尽量将数字、模拟电路分开不惧和走线，电源线和地线应尽量加宽，同时使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致。
应尽量使用45°
折线而不要使用90°
折线，以减少高频信号对外的发射与耦合，减少互感振荡；
将接地和屏蔽正确结合起来使用。
CPU、RAM、ROM等主芯片以及VCC、GND之间接电解电容和瓷片电容；
去掉高、低频干扰脉冲；
石英晶体振荡器的外壳接地而不要走信号线，且要适当加大接地面积；
时钟线要尽量短，并用地线将时钟区圈起来，使周围电场尽可能地减小。
独立系统结构，减少接插件与连线；
输入输出驱动器件、功率放大器件应尽量靠近线路板边的引出接插件；
提高可靠性，减少故障率。
集成块与插座接触可靠,用双簧插座，最好集成块直接焊在印制板上，防止器件接触不良。
信号的输入、输出端以使用光耦进行光电隔离为好。
这样既可以防止外围器件动作时产生的回流冲击系统，又可使输入端的干扰信号没有足够的功率去干扰发光二极管的正常工作。
6
元器件提高可靠性的措施和方法
构成系统电路的基本单元是元器件，选择质量好\合适的元器件是抑制干扰的基本保证.现在市场上的很多元器件性能不是很好，甚至许多是经测试不合格的产品，一旦应用在有干扰的工作现场中，很容易受到干扰而不能正常工作.这是人们较易忽视而查找起来又较困难的一种情况。
6．1
微处理器的选择
目前,为了提高硬件系统自身的可靠性,各制造商在单片机设计上采取了一系列措施。
这些技术主要体现在:
（1）降低外时钟频率。
（2）低噪声系列单片机。
（3）时钟监测电路、“看门狗”技术与低电压复位。
（4）EFT整形技术（ElectricalFastTransient）等,而且各种先进技术还在不断地发展和应用之中。
因此,要选用抗干扰能力较强，有看门狗的微处理器。
6．2
电源的选择。
电源应选用能在较宽电网电压范围内波动的开关电源。
主机部分和外围电路分别采用不同的电源电路供电，供电电源的功率应充足，应使额定功率为正常运行时所需功率的1倍左右，这样可减少电源本身产生的纹波和谐波干扰。
6．3
存储器的选择
采用非易失性存储器。
系统受到干扰的最大担忧就是数据的丢失。
目前，采用非易失性存储器，可保证数据在电源掉电时不丢失。
6．4
电子元件的选择
电阻器应尽可能选用金属膜电阻，同时缩短接线长度。
电容器的选择，用于低频、旁路场合的电容器，可以采用纸介电容器；
在高频和高压电路中，应选用云母电容器或陶瓷电容器；
在电源滤波或退耦电路中，用电解电容器。
铝电解电容易产生噪声，钽电容漏电小、稳定性好且频率稳定，是首选的电容器件。
7.小结
本文讨论了提高嵌入式系统硬件可靠性的几种抗干扰技术。
虽然软件抗干扰技术本文没有论述，但在工程应用中通常都是几种抗干扰方法并用，互相补充，才能取得良好的效果。
从根本上来说，硬件抗干扰是主动的,软件抗干扰是被动的。
细致分析干扰源,硬件和软件抗干扰措施相结合，完善系统监控程序,则可以保证系统准确、可靠地运行.
参考文献
[1]刘瑞新.单片机原理及应用教程[M].机械工业出版社,1997,10.
[2]余永权.flash单片机原理及应用[M].电子工业出版社,2003,7.
[3]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1990
[4]艾树峰、苑冰.单片机在嵌入式系统应用中的抗干扰措施[J].电讯技术,2002年第4期
3.软件抗干扰技术
计算机软件抗干扰技术
软件抗干扰技术就是利用软件运行过程中对自己进行自监视，和工控网络中各机器间的互监视，来监督和判断工控机是否出错或失效的一个方法。
这是工控系统抗干扰的最后一道屏障。
０引言
工业现场各种动力设备在不断地启停运行。
使得现场环境恶劣，电磁干扰严重。
工业控制计算机在这样的环境里面临着巨大的考验。
可以说我们研制的工业控制系统能否正常运行，并且产生出应有的经济效益，其抗干扰能力是一个关键的因素。
因此，除了整个系统的结构和每个具体的工控机都需要仔细设计硬件抗干扰措施之外，还需要注重软件抗干扰措施的应用。
我们在多年的工业控制研究中，深感工业现场意外因素太多并且危害很大。
有时一个偶然的人为或非人为干扰，例如并不很强烈的雷击，就使得我们自认为无懈可击的硬件抗干扰措施无能为力，工控机死机了（即程序跑飞了）或者控制出错了（此时CPU内部寄存器内容被修改或者RAM和I/O口数据被修改）。
这在某些重要的工业环节上将造成巨大的事故。
使用软件抗干扰措施就可以在一定程度上避免和减轻这些意外事故的后果。
1工控软件的结构特点及干扰途径
在不同的工业控制系统中，工控软件虽然完成的功能不同，但就其结构来说，一般具有如下特点：
*实时性：
工业控制系统中有些事件的发生具有随机性，要求工控软件能够及时地处理随机事件。
*周期性：
工控软件在完成系统的初始化工作后，随之进入主程序循环。
在执行主程序过程中，如有中断申请，则在执行完相应的中断服务程序后，继续主程序循环。
*相关性：
工控软件由多个任务模块组成，各模块配合工作，相互关联，相互依存。
*人为性：
工控软件允许操作人员干预系统的运行，调整系统的工作参数。
在理想情况下，工控软件可以正常执行。
但在工业现场环境的干扰下，工控软件的周期性、相关性及实时性受到破坏，程序无法正常执行，导致工业控制系统的失控，其表现是：
*程序计数器PC值发生变化，破坏了程序的正常运行。
PC值被干扰后的数据是随机的，因此引起程序执行混乱，在PC值的错误引导下，程序执行一系列毫无意义的指令，最后常常进入一个毫无意义的“死循环”中，使系统失去控制。
*输入/输出接口状态受到干扰，破坏了工控软件的相关性和周期性，造成系统资源被某个任务模块独
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