計算機(jī)系統(tǒng)抗干擾的探討

朱維泰

近年來，計算機(jī)系統(tǒng)快速發(fā)展，在各個領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。它集成了系統(tǒng)的檢測、辯識、顯示、控制、歷史趨勢、報警于一體，并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理，組成有級別的專家系統(tǒng)。計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力是保證整個系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。在實驗室里具有優(yōu)越性能且正常運(yùn)行的系統(tǒng)，到了實際環(huán)境中不能按預(yù)期工作。一些在國外有運(yùn)行實績且技術(shù)性能先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)（DCS），若不綜合考慮和處理好現(xiàn)場電磁環(huán)境和兼容問題，系統(tǒng)的接地源和連接質(zhì)量問題，也不能保證安全可靠運(yùn)行。我國工業(yè)現(xiàn)場電磁環(huán)境較為復(fù)雜，要提高計算機(jī)系統(tǒng)可靠性，一方面，要求生產(chǎn)制造單位按可靠性設(shè)計的要求，提高系統(tǒng)抗干擾能力；另一方面，要求工程設(shè)計、安裝施工和使用維護(hù)單位引起高度重視，如安裝環(huán)境、接地點、震動和周圍磁場的考慮。各方配合才能比較有效地解決問題，最大限度地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。

一、電磁干擾源及其對計算機(jī)系統(tǒng)干擾機(jī)制

1.空間的輻射干擾（EMI）

其產(chǎn)生主要是由于供電網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達(dá)和通信等，我們通常稱之為輻射干擾，分布極為復(fù)雜。它們對計算機(jī)系統(tǒng)影響途徑有兩條，其一是直接對計算機(jī)內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；其二是計算機(jī)系統(tǒng)外圍設(shè)備及其通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由外圍設(shè)備和通信線路的感應(yīng)引入干擾。

2.系統(tǒng)外引線干擾源

主要是通過電源和信號波引入，通常稱為傳輸干擾，在我國工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域較為嚴(yán)重。通常變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源即配電器串入的電網(wǎng)干擾，容易被忽視；信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾也很嚴(yán)重，由信號引入的干擾會引起I/O接口工作異常和測量精度嚴(yán)重降低。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、“沖程”和死機(jī)。

3.接地系統(tǒng)混亂時的干擾

工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)的地線包括模擬地、邏輯地、交流地、直流地和保護(hù)地等，必須處理好，否則計算機(jī)系統(tǒng)可能無法正常工作。接地系統(tǒng)混亂對計算機(jī)系統(tǒng)的干擾主要是大地電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。

4.計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

主要是系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁耦合、電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。計算機(jī)制造廠對系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容（EMC）設(shè)計的內(nèi)容比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門無法改變，可不必過多考慮，但要選擇具有較多應(yīng)用實績或經(jīng)過考驗的系統(tǒng)。

二、計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中的可靠性設(shè)計

1.干擾及其干擾的影響

干擾對模擬電路的影響是連續(xù)的，這種影響隨著干擾增加而加大，如干擾源消失，系統(tǒng)即恢復(fù)原來的狀態(tài)。數(shù)字電路所用的邏輯元件都有各自的閾電平和與之相對應(yīng)的噪聲容限，只要外來干擾不超過邏輯元件的噪聲容限，就不會影響電路。但是，如果輸入系統(tǒng)的干擾超過噪聲容限，干擾可能會觸發(fā)觸發(fā)器和存儲器所保存的信息，系統(tǒng)程序便有失控的危險。

2.容錯技術(shù)和應(yīng)用

由于干擾不可能完全清除，只能在應(yīng)用中考慮消除、抑制或減少錯誤，軟件運(yùn)行時所遇到的用戶操作錯誤、硬件故障，以及其他軟件引起的錯誤，必須利用容錯技術(shù)加以解決。

3.在進(jìn)行具體工程的抗干擾設(shè)計時應(yīng)注意的問題

（1）設(shè)備選型。首先，應(yīng)選擇具有較高抗干擾能力，包括內(nèi)部電磁兼容性，特別是抗干擾能力的產(chǎn)品，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的計算機(jī)。設(shè)備選型時，應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo)，或共模擬制比、差模擬制比、耐壓能力、允許在多大電場強(qiáng)度和多高頻率的磁場強(qiáng)度環(huán)境中工作。其次，考查其在類似工作中的應(yīng)用實績，特別不能迷信國外進(jìn)口產(chǎn)品。我國采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，尤其是帶隔離的干凈電源，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。由于我國電網(wǎng)內(nèi)阻大，零點電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)嚴(yán)重4倍以上，對系統(tǒng)抗干擾性能要求更高，在國外能正常工作的計算機(jī)產(chǎn)品在國內(nèi)工作現(xiàn)場不一定能可靠運(yùn)行，這也是為實踐所證明的。

（2）主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種干擾抑制措施。主要設(shè)計內(nèi)容包括：對計算機(jī)系統(tǒng)及外引線進(jìn)行屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對外引線進(jìn)行隔離、濾波特別遠(yuǎn)離動力電纜，分層布置，以防通過外引線引入傳導(dǎo)電磁干擾；正確設(shè)計接地點和接地裝置，完善接地系統(tǒng)。

三、主要抗干擾措施

1.采用性能優(yōu)良的隔離電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾

電網(wǎng)干擾串入主要通過計算機(jī)系統(tǒng)的供電電源（如主機(jī)電源，I/O電源等）、變送器供電電源和與計算機(jī)系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入。目前計算機(jī)系統(tǒng)（如主機(jī)、I/O等）的供電電源一般隔離性能較好。對于變送器供電的電源即配電器與計算機(jī)系統(tǒng)有直接電氣連接（如共用信號等）的儀表的供電電源，往往由于工程設(shè)計或使用單位選配，必須引起足夠的重視。

2.正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)

（1）全系統(tǒng)采用統(tǒng)一接地網(wǎng)。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的限制，與辦公用獨立的單機(jī)系統(tǒng)不同，工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)與大量的過程信號相連接，而過程信號又往往在現(xiàn)場接地（如熱電偶熱端接地等），不可能設(shè)置完全隔離的獨立接地系統(tǒng)。因此，工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)的接地網(wǎng)宜與現(xiàn)場電氣接地網(wǎng)共用，否則對突變電磁場（如雷雨、浪涌等）的沖擊將給計算機(jī)帶來更大的干擾。所有需要接地的點應(yīng)通過拉地線與接地網(wǎng)牢固連接，且連接點盡量靠近。

（2）信號屏蔽層的接地必須保證單點接地。信號源接地時，屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地；不接地時，應(yīng)在計算機(jī)側(cè)接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應(yīng)相互連接并進(jìn)行絕緣處理。對于計算機(jī)系統(tǒng)的輸出信號，確認(rèn)是模擬量還是屏蔽輸出信號，其屏蔽接地均應(yīng)接在機(jī)柜接地母板上，再由母板接地。對于帶有中間接地箱柜（盒）的過渡接線方式，要求拉地柜（盒）內(nèi)屏蔽層用導(dǎo)線短接在一起，選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c接地。

（3）合理選擇和敷設(shè)信號電纜。不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應(yīng)按傳輸信號的種類分層敷設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時傳送電源和信號，并避免信號線與動力電纜靠近平行敷設(shè)，以防止電磁干擾。

（4）硬件濾波。信號在接入計算機(jī)前，在信號線與地間并接電容，可減少共模干擾；信號兩極間加裝濾波器減小差模干擾。

（5）軟件抗干擾措施。由于電磁干擾的復(fù)雜性，僅依靠硬件從根本上消除干擾影響是不可能的。因此，在工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計和組態(tài)時，還必須在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

四、結(jié)束語

工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)工程化應(yīng)用的電磁兼容性設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，必須全面考慮并在各個環(huán)節(jié)上予以高度重視。我國工業(yè)現(xiàn)場電磁環(huán)境十分復(fù)雜，干擾非常嚴(yán)重。不能迷信國外產(chǎn)品或照搬其標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)因地制宜，從設(shè)備選型、工程設(shè)計到安裝調(diào)試都要考慮現(xiàn)場干擾情況，特別要注意對配電器引入干擾的隔離，采用各種軟硬結(jié)合的措施協(xié)調(diào)配合，才能有效提高系統(tǒng)的整體抗干擾水平，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全可靠性。`

（作者單位：山西機(jī)械高級技工學(xué)校）