淺談儀表測控系統(tǒng)抗干擾技術

【摘 要】儀表作為自動化系統(tǒng)中的一個重要組成部分，大量的采用低電壓的模擬量作為傳輸信號在工作環(huán)境較惡劣現(xiàn)場，存在著各種各樣的干擾源，極易干擾測量信號的傳輸。在儀器儀表設計和使用時，我們必須對工作環(huán)境作全面的分析，確定干擾性質，采取相應的抗干擾措施。

【關鍵詞】儀表測控；抗干擾；技術；通用抗干擾技術

一、干擾源及對系統(tǒng)的干擾

干擾的來源有很多種，我們通常所說的干擾是電氣的干擾，但是在廣義上熱噪聲、溫度效應、化學效應、振動等都可能給測量帶來影響，產生干擾。在測量過程中，如果不能排除這些干擾的影響，儀表就不能夠正常的工作。

根據儀表輸入端干擾的作用方式，可分為串模干擾和共模干擾。串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾；共模干擾是加在儀表任一輸入端與地之間的干擾。

一般來說干擾儀表測控系統(tǒng)的干擾源主要有電力網絡和電氣設備的暫態(tài)過程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統(tǒng)電源線、信號引線、接地等引起的系統(tǒng)外引線干擾。這些干擾總體上分為兩大類：內部干擾和外部干擾，詳細分析無外乎由于輻射、溫度、濕度、振動、傳輸、感應、電源、接地幾個方面。下面對常見的幾種干擾機制進行簡單分析：

來自傳輸的干擾主要有兩種途徑：一是通過傳感器供電電源或公用信號儀表的供電電源即配電器串入的電網干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，嚴重時會引起元件損壞，邏輯出錯和大的系統(tǒng)故障。

來自空間的輻射干擾對測控系統(tǒng)影響主要通過兩條路徑：一是直接對計算機內部輻射，由電路感應產生干擾；二是對計算機外圍設備及通訊網絡的輻射，由外圍設備和通信線路的感應引入干擾。

來自接地系統(tǒng)的干擾主要是接地系統(tǒng)混亂：測控系統(tǒng)的屏蔽接地線及機殼接地線、信號接地線、功率地線、交流電源地線等引起的噪聲耦合干擾。

從以上所述，我們可以總結出各種干擾源對測量裝置及檢測系統(tǒng)產生干擾電流（電壓），需同時具備三個要素：⑴噪聲源；⑵對噪聲敏感的接受電路；⑶噪聲源到接受電路之間的傳輸途徑。

二、干擾的抑制防范措施

電磁干擾是指自然干擾源或人為干擾源對有用電磁信號的損害。當不希望的電壓和電流影響設備性能時，稱之為存在電磁干擾，我們知道，這些電壓和電流一般是通過傳導或電磁場輻射傳給受害的設備，降低電子設備的工作質量。

為保證電子設備在特定電磁環(huán)境中免受內外電磁場干擾，綜合電磁干擾的三要素，必須從設計開始便采取三方面的抑制措施：抑制噪聲源以直接消除干擾原因；消除噪聲源與受干擾設備之間的噪聲耦合和輻射；加強電子設備抗電磁干擾的能力。

1濾波

傳導干擾可分為電容性、電感性和共阻抗性三種干擾方式，傳導干擾主要由互連線和電源傳播。這種干擾方式比較隱蔽，儀表設備需PCB良好設計，系統(tǒng)采用多次濾波技術，也可綜合采用屏蔽、濾波、接地和隔離等技術來解決。

2隔離

儀表測控系統(tǒng)可能包括很多種輸入輸出信號，我們可以將輸入信息和輸出信息進行隔離，可有效減少干擾的侵入。例如：各種設備的監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護裝置及其它自動裝置所用的模擬量，大多數都來自電壓互感器，它們均處于強電回路中，不能直接進入測控系統(tǒng)，必須經過設置相應的隔離換壓設備，而在這些隔離換壓設備一、二次之間設有屏蔽層，通過屏蔽層的安全接地，起到較好的屏蔽和隔離效果。系統(tǒng)開關量的輸入輸出控制也要采取相關隔離措施，以免對系統(tǒng)產生影響。

3屏蔽與接地

對輻射干擾，則屏蔽是減少其輻射能量的一種最有效方法，屏蔽可以反射或吸收高頻電磁能量，阻止電磁能的進一步傳播擴散，把高頻電磁強度降到一定限度內。帶有接地的金屬屏蔽殼體可以將放電電流釋放到底。但是屏蔽外殼的不連續(xù)（如有接縫、開孔），靜電便能造成殼體與內部電路之間（由分布電容形成）的電位差，會在電路中產生新的電壓，影響電路的正常工作。解決這種放電引起的干擾，一種是將電路完全屏蔽；另一種是在外殼與電路之間增加第二層屏蔽層，屏蔽層接到電路的公共接地點上。

對于測控系統(tǒng)中的一些電磁敏感設備，接地電位不統(tǒng)一，便會產生干擾，在各種設備設計和安裝使用的過程中，需將接地和屏蔽結合起來考慮，可解決大部分干擾問題。

正確處理好一次系統(tǒng)接地問題，減少配電場高頻瞬變電壓幅值和地網中不同點的瞬變電位差，很大程度上減少了干擾源。在處理一次系統(tǒng)接地時，應注意：設備接地線要接在地網導體的交叉處；設備接地處要增加接地網絡互連線；避雷器、避雷針接地點應采用兩根以上的接地線和加密接地網格。為了給微機、電子等設備一個電位基準，保證其可靠運行，防止地環(huán)流引起的干擾一定要接工作地。

系統(tǒng)的連接電纜采用帶有金屬外皮（屏蔽層）的控制電纜，當屏蔽層一端接地時，屏蔽層電壓為零，可顯著減少靜電感應（電容耦合）電壓；當兩端接地時，干擾磁場在屏蔽層中感應電流，該電流產生的磁通與干擾磁通方向相反，互相抵消，因而能顯著降低磁場耦合感應電壓。

對輸入輸出電纜來說，為了避免由它引入的靜電放電而在內部電路上產生危害，有必要在電纜到內部線路的人口處增加保護器件，器件的快速響應性能，使瞬態(tài)電流迅速旁路到地。注意，這里的地應該與外殼之間有最近的連接點，避免放電電流在內部電路的地線上有過長的通路。

軟件抗干擾技術：工業(yè)現(xiàn)場的復雜環(huán)境硬件抗干擾措施無能為力，譬如工控機死機了或者控制出錯了，這將給生產帶來可怕后果。因此使用軟件抗干擾措施避免和減輕這些意外事故猶為重要。通常使用的軟件抗干擾技術有：實時控制軟件運行過程中的自監(jiān)視法、實時控制系統(tǒng)的互監(jiān)視法和重要數據備份法。

三、通用的抗干擾技術

既然形成對測量裝置及檢測系統(tǒng)的噪聲干擾需要“三要素”，因此消除和減弱噪聲干擾的方法亦應針對三項因素采取措施，即：

⑴消除或抑制噪聲源；

⑵阻截干擾傳遞途徑；

⑶削弱接受電路對噪聲干擾的敏感性。這三種措施均屬于硬件措施。伴隨著微型計算機應用于工業(yè)生產，智能傳感器和智能儀表的普遍應用，在軟件方面，像數字濾波、數字處理等更多的抑制干擾的措施和方法得以應用，儀表測控系統(tǒng)安全水平大大提高。

而這幾種措施通常采取隔離、屏蔽、接地保護、軟件技術完成，下面對這幾種技術介紹：

隔離包含著兩種意義：一為可靠絕緣，即保證導線之間不會產生漏電流，所以要求導線絕緣材料的耐壓等級、絕緣電阻必須符合規(guī)定；另一為合理配線，即要求信號線盡量避開干擾源，譬如當動力線和信號線平行敷設時，兩者必須保持一定的間距，兩者交叉時要盡可能垂直，導線穿管敷設時，電源線和信號線應在不同導線管內。

不同信號輻值的信號線不宜穿在同一導線管內。在采用金屬匯線槽敷設時，不同輻值導線、電纜與電力線需用金屬隔板隔開。同一多芯電纜內不宜有不同輻值的信號線等等。

屏蔽和抑制是用金屬導體把被屏蔽的元件、組合件、電路及信號線包圍起來，主要用于抑制電流性噪聲藕合，起到一定的磁屏蔽作用。另外用雙絞線代替兩根平行線是抑制磁場干擾的一種行之有效的方法。

軟件抗干擾技術：工業(yè)現(xiàn)場的復雜環(huán)境硬件抗干擾措施無能為力，比如工控機死機了或者控制出錯了。這將給生產帶來可怕后果，因此使用軟件抗干擾措施避免和減輕這些意外事故猶為重要。

結束語

在測量過程中，這些干擾若不能很好地處理，那它將歪曲測量結果，嚴重時甚至使儀表或計算機完全不能工作。

大量實踐說明，抗干擾性能是各種電子測量裝置的一個很重要的問題，尤其是DCS、現(xiàn)場總線技術的廣泛應用和迅速發(fā)展，有效地排除和抑制各種干擾，已成為必需探討和解決的迫切問題，因為干擾不僅能造成邏輯混亂，使系統(tǒng)測量和控制失靈，以致降低產品的質量，甚至使生產設備損壞，造成事故。

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