淺談儀表測(cè)控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

【摘 要】?jī)x表作為自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，大量的采用低電壓的模擬量作為傳輸信號(hào)在工作環(huán)境較惡劣現(xiàn)場(chǎng)，存在著各種各樣的干擾源，極易干擾測(cè)量信號(hào)的傳輸。在儀器儀表設(shè)計(jì)和使用時(shí)，我們必須對(duì)工作環(huán)境作全面的分析，確定干擾性質(zhì)，采取相應(yīng)的抗干擾措施。

【關(guān)鍵詞】?jī)x表測(cè)控；抗干擾；技術(shù)；通用抗干擾技術(shù)

一、干擾源及對(duì)系統(tǒng)的干擾

干擾的來(lái)源有很多種，我們通常所說(shuō)的干擾是電氣的干擾，但是在廣義上熱噪聲、溫度效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、振動(dòng)等都可能給測(cè)量帶來(lái)影響，產(chǎn)生干擾。在測(cè)量過(guò)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(jù)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(cè)信號(hào)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(lái)說(shuō)干擾儀表測(cè)控系統(tǒng)的干擾源主要有電力網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統(tǒng)電源線、信號(hào)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(nèi)部干擾和外部干擾，詳細(xì)分析無(wú)外乎由于輻射、溫度、濕度、振動(dòng)、傳輸、感應(yīng)、電源、接地幾個(gè)方面。下面對(duì)常見的幾種干擾機(jī)制進(jìn)行簡(jiǎn)單分析：

來(lái)自傳輸?shù)母蓴_主要有兩種途徑：一是通過(guò)傳感器供電電源或公用信號(hào)儀表的供電電源即配電器串入的電網(wǎng)干擾；二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起元件損壞，邏輯出錯(cuò)和大的系統(tǒng)故障。

來(lái)自空間的輻射干擾對(duì)測(cè)控系統(tǒng)影響主要通過(guò)兩條路徑：一是直接對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對(duì)計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備及通訊網(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。

來(lái)自接地系統(tǒng)的干擾主要是接地系統(tǒng)混亂：測(cè)控系統(tǒng)的屏蔽接地線及機(jī)殼接地線、信號(hào)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(jié)出各種干擾源對(duì)測(cè)量裝置及檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾電流（電壓），需同時(shí)具備三個(gè)要素：⑴噪聲源；⑵對(duì)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(duì)有用電磁信號(hào)的損害。當(dāng)不希望的電壓和電流影響設(shè)備性能時(shí)，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(guò)傳導(dǎo)或電磁場(chǎng)輻射傳給受害的設(shè)備，降低電子設(shè)備的工作質(zhì)量。

為保證電子設(shè)備在特定電磁環(huán)境中免受內(nèi)外電磁場(chǎng)干擾，綜合電磁干擾的三要素，必須從設(shè)計(jì)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(shè)備之間的噪聲耦合和輻射；加強(qiáng)電子設(shè)備抗電磁干擾的能力。

1濾波

傳導(dǎo)干擾可分為電容性、電感性和共阻抗性三種干擾方式，傳導(dǎo)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(shè)備需PCB良好設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用多次濾波技術(shù)，也可綜合采用屏蔽、濾波、接地和隔離等技術(shù)來(lái)解決。

2隔離

儀表測(cè)控系統(tǒng)可能包括很多種輸入輸出信號(hào)，我們可以將輸入信息和輸出信息進(jìn)行隔離，可有效減少干擾的侵入。例如：各種設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)裝置及其它自動(dòng)裝置所用的模擬量，大多數(shù)都來(lái)自電壓互感器，它們均處于強(qiáng)電回路中，不能直接進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)，必須經(jīng)過(guò)設(shè)置相應(yīng)的隔離換壓設(shè)備，而在這些隔離換壓設(shè)備一、二次之間設(shè)有屏蔽層，通過(guò)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(guān)量的輸入輸出控制也要采取相關(guān)隔離措施，以免對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

3屏蔽與接地

對(duì)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(jìn)一步傳播擴(kuò)散，把高頻電磁強(qiáng)度降到一定限度內(nèi)。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(nèi)部電路之間（由分布電容形成）的電位差，會(huì)在電路中產(chǎn)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(diǎn)上。

對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)中的一些電磁敏感設(shè)備，接地電位不統(tǒng)一，便會(huì)產(chǎn)生干擾，在各種設(shè)備設(shè)計(jì)和安裝使用的過(guò)程中，需將接地和屏蔽結(jié)合起來(lái)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(chǎng)高頻瞬變電壓幅值和地網(wǎng)中不同點(diǎn)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(shí)，應(yīng)注意：設(shè)備接地線要接在地網(wǎng)導(dǎo)體的交叉處；設(shè)備接地處要增加接地網(wǎng)絡(luò)互連線；避雷器、避雷針接地點(diǎn)應(yīng)采用兩根以上的接地線和加密接地網(wǎng)格。為了給微機(jī)、電子等設(shè)備一個(gè)電位基準(zhǔn)，保證其可靠運(yùn)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(dāng)屏蔽層一端接地時(shí)，屏蔽層電壓為零，可顯著減少靜電感應(yīng)（電容耦合）電壓；當(dāng)兩端接地時(shí)，干擾磁場(chǎng)在屏蔽層中感應(yīng)電流，該電流產(chǎn)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(chǎng)耦合感應(yīng)電壓。

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

軟件抗干擾技術(shù)：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境硬件抗干擾措施無(wú)能為力，譬如工控機(jī)死機(jī)了或者控制出錯(cuò)了，這將給生產(chǎn)帶來(lái)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(shù)有：實(shí)時(shí)控制軟件運(yùn)行過(guò)程中的自監(jiān)視法、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的互監(jiān)視法和重要數(shù)據(jù)備份法。

三、通用的抗干擾技術(shù)

既然形成對(duì)測(cè)量裝置及檢測(cè)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(yīng)針對(duì)三項(xiàng)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(duì)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(jì)算機(jī)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，智能傳感器和智能儀表的普遍應(yīng)用，在軟件方面，像數(shù)字濾波、數(shù)字處理等更多的抑制干擾的措施和方法得以應(yīng)用，儀表測(cè)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(hù)、軟件技術(shù)完成，下面對(duì)這幾種技術(shù)介紹：

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

不同信號(hào)輻值的信號(hào)線不宜穿在同一導(dǎo)線管內(nèi)。在采用金屬匯線槽敷設(shè)時(shí)，不同輻值導(dǎo)線、電纜與電力線需用金屬隔板隔開。同一多芯電纜內(nèi)不宜有不同輻值的信號(hào)線等等。

屏蔽和抑制是用金屬導(dǎo)體把被屏蔽的元件、組合件、電路及信號(hào)線包圍起來(lái)，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(chǎng)干擾的一種行之有效的方法。

軟件抗干擾技術(shù)：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境硬件抗干擾措施無(wú)能為力，比如工控機(jī)死機(jī)了或者控制出錯(cuò)了。這將給生產(chǎn)帶來(lái)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(jié)束語(yǔ)

在測(cè)量過(guò)程中，這些干擾若不能很好地處理，那它將歪曲測(cè)量結(jié)果，嚴(yán)重時(shí)甚至使儀表或計(jì)算機(jī)完全不能工作。

大量實(shí)踐說(shuō)明，抗干擾性能是各種電子測(cè)量裝置的一個(gè)很重要的問題，尤其是DCS、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的廣泛應(yīng)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?yàn)楦蓴_不僅能造成邏輯混亂，使系統(tǒng)測(cè)量和控制失靈，以致降低產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至使生產(chǎn)設(shè)備損壞，造成事故。

參考文獻(xiàn)：

[1]任志玲，徐浩.計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)抗干擾措施[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，2：120-125

[2]吳文斗，周兵，張麗蓮，楊林楠.計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的可靠性技術(shù)[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，S2：145-148

[3]汪菊，唐翔，藺超文.OPC技術(shù)在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].工礦自動(dòng)化，2008，6：117-120

[4]藺少?gòu)?qiáng).微型計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)綜合策略[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2004，1：134-137