船舶自動控制系統(tǒng)電磁干擾故障分析

李金劍，趙杰，周宗華

（1.中船電子科技（三亞）有限公司，海南 三亞 572024；2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

0 引言

電子信息技術的發(fā)展在提高船舶航行安全的同時，也減少了船舶運營所需人力成本，以船舶自動控制系統(tǒng)的應用最具有代表性，如自動駕駛控制系統(tǒng)、自動消防控制系統(tǒng)等。盡管，自動控制系統(tǒng)顯著提升了船舶自動化水平，但是，從實際使用效果來看，自動控制系統(tǒng)的可靠性相對較低，尤其是在復雜空間電磁環(huán)境下，自動控制系統(tǒng)故障頻次較高，這給船舶航行安全帶來了極大隱患[1]。

1 船舶自動控制系統(tǒng)電磁干擾故障分析

近年來，船舶自動化水平不斷提高，自動控制系統(tǒng)對電磁干擾的敏感特性導致其故障頻發(fā)，由于電磁干擾所致故障不同于其它故障類型，無法通過有效方法進行故障復現(xiàn)，因此，這對船舶自動控制系統(tǒng)電磁干擾故障的排查與處置帶來了一定困難[2]。

1.1 自動控制系統(tǒng)精度下降

對于大多數(shù)自動控制系統(tǒng)，其工作機理多是通過小信號作為驅(qū)動源，因此，這對小信號的驅(qū)動精度要求較高，然而，自動控制系統(tǒng)信號多為直流信號控制，在復雜電磁空間環(huán)境下，電磁波通過電磁感應耦合進直流控制電路中，導致直流控制信號波形失真，控制精度因此下降[3]。并且，由電磁干擾導致的自動控制系統(tǒng)精度下降缺乏規(guī)律性，這與電磁干擾信號的強度、矢量方向等有著直接關系。

以自動舵轉向控制系統(tǒng)故障為例，舵角控制器顯示左轉15°，舵角復示器同樣顯示左轉15°，但實際舵角轉動角度超差現(xiàn)象嚴重，尤其是對于采用反饋控制系統(tǒng)的自動舵轉向控制系統(tǒng)來說，當超差值在閾值范圍外時，方向舵將持續(xù)調(diào)整，嚴重時將出現(xiàn)高頻抖動。之所以導致該現(xiàn)象，是由于自動舵轉向控制系統(tǒng)后端控制電路設計過程中未能考慮交流電機啟動所產(chǎn)生的電磁干擾，以至于自動舵轉向控制精度不高。

1.2 自動控制系統(tǒng)誤動作

船舶自動控制系統(tǒng)設計較為復雜，系統(tǒng)中不同節(jié)點控制原理大同小異，主要包括電壓控制和電流控制兩種模式，無論對于任何一種自動控制模式，電磁干擾現(xiàn)象的存在，都會導致自動控制系統(tǒng)誤動作現(xiàn)象的發(fā)生。

以某型船用拖纜裝備為例，在實際使用過程中，其PLC 控制箱多次出現(xiàn)誤報警現(xiàn)象，該現(xiàn)象在交流電機啟動后無法消除，交流電機停止運行后，可通過復位按鈕消除。通過測試與分析發(fā)現(xiàn)，該PLC 控制箱內(nèi)部控制電路為直流控制模式，交流電機啟動后，由此對PLC 控制箱中的電路產(chǎn)生電磁干擾，直流控制信號中疊加了極其不穩(wěn)定的交流信號，當疊加后的電流瞬時值超過報警閾值后，PLC 控制箱報警系統(tǒng)將自動啟動，即便按下復位按鈕，也會繼續(xù)被觸法。經(jīng)檢查，電磁干擾來源為拖纜裝備主機控制電纜防護等級不夠，無電磁屏蔽層，從而在交流電機啟動后電纜中交流電產(chǎn)生的磁場泄漏出來，進而對周圍弱電系統(tǒng)形成電磁干擾[4]。

自動控制系統(tǒng)誤動作極其危險，因此，為避免因電磁干擾導致的誤動作現(xiàn)象，自動控制系統(tǒng)設計人員一般會采取多級控制的設計理念進行風險控制，如減搖鰭自動控制系統(tǒng)的分體式開關設計，在主控系統(tǒng)開關斷開的情況下，即便遠端控制電路受電磁干擾影響達到激活開關的條件，減搖鰭控制主機也不會工作。

1.3 自動控制系統(tǒng)元器件失效

電磁干擾現(xiàn)象的存在較為普遍，由此對自動控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響主要是通過電磁場強度進行衡量，同時，由于電磁場具有矢量特征，電磁場與閉合回路的切割角度同樣會影響電磁干擾效果。

例如，自動控制系統(tǒng)中多使用繼電器作為觸發(fā)開關，繼電器工作原理如圖1 所示，電鍵閉合后，電流通過線圈后鐵芯被磁化，彈簧片被吸下，電動機控制電路形成回路，電動機工作。當外部電磁場切割線圈時，同樣會產(chǎn)生感應電流。當感應電流方向與電鍵閉合后電流方向一致時，將導致繼電器鐵芯磁性增強，彈簧片形變嚴重，壽命縮短。再或者是感應電流方向與電鍵閉合后電流方向相反，此時繼電器鐵芯磁性將明顯減弱，即便更換繼電器，也無法解決該問題[5]。

電磁干擾現(xiàn)象導致的自動控制系統(tǒng)元器件失效現(xiàn)象較為常見，除上面提到的繼電器失效外，電容失效現(xiàn)象同樣存在，由于電磁干擾而產(chǎn)生的感應電動勢會導致電容兩端電壓升高，在超過電容擊穿電壓時，電容將被擊穿。同理，二極管、三極管等電子元器件也會因此失效。

2 自動控制系統(tǒng)電磁干擾故障應對策略

根據(jù)以上幾種較為常見的電磁干擾故障，結合電磁干擾故障的形成機理，可以通過以下幾個方案加以應對。

2.1 優(yōu)化自動控制系統(tǒng)抗電磁干擾設計

在自動控制系統(tǒng)設計過程中，需要根據(jù)其工作環(huán)境與系統(tǒng)特性選擇與之相適應的抗電磁干擾設計方式，主要包括硬隔離和軟隔離兩種方式，

所謂硬隔離，是指在自動控制系統(tǒng)原有設計的基礎上，增加物理屏蔽層，利用電磁波的趨膚效應將電磁干擾信號隔離在自動控制系統(tǒng)外側。軟隔離是在自動控制系統(tǒng)設計中增加濾波、隔離等相關設計，同時在電子元器件選型過程中考慮其抗電磁干擾特性[6]。

相比較來看，硬隔離是應對外部電磁干擾的一種較為有效的方式，但是，對于大多數(shù)自動控制系統(tǒng)來說，內(nèi)部電磁干擾卻只能通過軟隔離的方式加以應對。所以，在自動控制系統(tǒng)抗電磁干擾設計優(yōu)化過程中，應同時使用以上兩種隔離方式。

2.2 自動控制系統(tǒng)空間電磁環(huán)境布局優(yōu)化

由于船舶內(nèi)部空間有限，在船舶自動化系統(tǒng)安裝設計過程中僅考慮系統(tǒng)大小、重量、供電、供水、供氣等相關因素，卻忽視了自動控制系統(tǒng)對空間電磁環(huán)境的要求，其中，最為典型的就是輪機艙、集控室。然而，電磁干擾顯現(xiàn)不可避免，為弱化電磁干擾對自動控制系統(tǒng)的干擾，則可以通過優(yōu)化船舶內(nèi)部空間電磁環(huán)境布局實現(xiàn)。

首先，對船舶供電系統(tǒng)進行分析，區(qū)分直流供電線路與交流供電線路，獨立敷設交流供電線路，并采取加裝屏蔽環(huán)的方式減輕電磁波泄漏現(xiàn)象，同時，將高壓直流供電線路與低壓直流信號線路隔離敷設，避免高壓直流供電線路瞬間通電對低壓直流信號線路產(chǎn)生的瞬時電磁干擾。

其次，標記船舶內(nèi)部電動機等電磁干擾源的安裝位置，根據(jù)自動控制系統(tǒng)設計要求，應當與電動機等電磁干擾源保持安全距離。

2.3 隔離接地電磁干擾

接地電磁干擾是船舶自動控制系統(tǒng)中最為隱蔽的一種電磁干擾類型，按照自動控制系統(tǒng)安裝要求，為保護自動控制系統(tǒng)及操作人員，多要求接地安裝，然而，由于船用裝備多采用直接與船體相連接的方式，則導致電磁傳導干擾現(xiàn)象的發(fā)生[7-8]。

為解決這因接地導致的電磁干擾，可采取系統(tǒng)接地與防靜電接地兩種方式。系統(tǒng)接地是通過數(shù)字基準零位電路獨立提供接地點，在保證所有電子裝備零位一直的情況下，避免傳統(tǒng)接地方式形成電磁干擾回路；防靜電接地則是利用電纜、自動控制系統(tǒng)外殼中的屏蔽層接地，將電磁干擾在屏蔽層內(nèi)形成的感應電流引入船體，防止電磁干擾產(chǎn)生的靜電對自動控制系統(tǒng)功能的影響。

3 結論

基于電子設備的電磁敏感特性，船舶自動控制系統(tǒng)電磁干擾故障時有發(fā)生，這對船舶航行安全帶來了極大的隱患。時間證明，自動控制系統(tǒng)電磁干擾故障是可以避免的，通過控制電磁干擾源、切斷電磁干擾路徑、保護電磁敏感設備等方式均可以達到應對電磁干擾故障的效果。因此，船舶自動控制系統(tǒng)設計人員應當根據(jù)實際情況，選擇與之相適應的解決方案，提高自動控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。