電氣工程中自動化設(shè)備的抗干擾措施探究

智 丹

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西太原 030000）

1 電氣工程中自動化設(shè)備面臨的主要干擾源

1.1 傳導(dǎo)與輻射干擾

傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線或電纜傳輸?shù)碾姶鸥蓴_，而輻射干擾是指通過空氣傳播的電磁干擾。這些干擾源可能來自附近的電源線、電機(jī)、變壓器等設(shè)備，也可能來自無線電頻率的干擾源。傳導(dǎo)與輻射干擾會引起設(shè)備的電壓波動、電流噪聲等問題[1]。輻射干擾指各種干擾信號通過各種耦合路徑，例如由電源線、變壓器等設(shè)備產(chǎn)生的電磁波，或由高速數(shù)字信號及開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射干擾，到達(dá)二次設(shè)備。傳導(dǎo)干擾指干擾信號通過各種連接導(dǎo)線，如電源線、信號線等，以電容、電感或共模電壓的方式進(jìn)入二次設(shè)備。這些連接可能通過外部干擾信號的傳輸，將信號引入設(shè)備中。

1.2 信號模式干擾

信號模式干擾是指由于信號傳輸線路的設(shè)計不當(dāng)或者信號線與其他線路的干擾而引起的干擾。例如，信號線與電源線、地線或其他信號線靠得太近，會導(dǎo)致信號的串?dāng)_、互相干擾，從而影響設(shè)備的正常工作。

1.3 二次回路干擾

二次回路干擾是指由于設(shè)備內(nèi)部的電磁干擾源，如開關(guān)電源、電機(jī)、繼電器等，對其他電路產(chǎn)生的干擾。這些干擾源可能會引起設(shè)備的電磁輻射、電磁感應(yīng)等問題，從而干擾其他電路的正常運(yùn)行。

1.4 通訊信號干擾

自動化設(shè)備通常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，而通訊信號干擾可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤、通訊中斷等問題。通訊信號干擾可能來自于附近的電磁干擾源，如無線電設(shè)備、電源線、電機(jī)等。此外，通訊線路的設(shè)計不當(dāng)、接地問題等也可能引起通訊信號的干擾[2]。

2 電氣工程中自動化設(shè)備抗干擾措施的重要價值

（1）提高系統(tǒng)可靠性。電氣工程中的自動化設(shè)備通常需要在復(fù)雜的電磁環(huán)境中運(yùn)行，如電力設(shè)備、電磁干擾源等?？垢蓴_措施可以有效地減少外界干擾對自動化設(shè)備的影響，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。自動化設(shè)備通常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，而干擾可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤或丟失，進(jìn)而影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性?？垢蓴_措施可以有效地降低干擾對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀Ｕ蠑?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）提高工作效率。干擾可能導(dǎo)致自動化設(shè)備的誤動作、誤報警等問題，影響工作效率和生產(chǎn)效益。通過采取抗干擾措施，可以減少誤動作和誤報警的發(fā)生，提高自動化設(shè)備的工作效率和穩(wěn)定性。

（4）延長設(shè)備壽命。干擾可能導(dǎo)致自動化設(shè)備的電路元件受損或過載，進(jìn)而影響設(shè)備的壽命?？垢蓴_措施可以有效地降低干擾對設(shè)備的損害，延長設(shè)備的使用壽命，降低維修和更換成本[3]。

3 電氣工程中自動化設(shè)備抗干擾措施優(yōu)化策略

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 優(yōu)化電路設(shè)計

合理的電路布局和組件選擇可以降低電磁干擾對設(shè)備的影響，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。例如，在電路設(shè)計中，可以減少電路中的元器件數(shù)量，選擇具有較高抗干擾能力的元器件，優(yōu)化電源電路和信號傳輸線路的設(shè)計，加強(qiáng)電路板的布線布局，避免線路的交叉和重疊，從而降低電磁干擾對設(shè)備的影響。

3.1.2 接地與屏蔽技術(shù)

正確的接地方式可以有效地降低電磁干擾對設(shè)備的影響，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。在接地設(shè)計中，應(yīng)該選擇合適的接地方式和位置，避免不同電路之間的相互干擾，減少電源電路對地線的干擾。同時，屏蔽技術(shù)也可以有效地抑制電磁波的傳播，減少電磁干擾對設(shè)備的影響[4]。

3.1.3 電源濾波與穩(wěn)壓技術(shù)

電源波動和噪聲會對設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生影響，因此需要對電源進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓處理。在電源濾波設(shè)計中，應(yīng)該選擇合適的濾波器和穩(wěn)壓器，減少電源波動和噪聲對設(shè)備的影響。同時，在電源線路中加入適當(dāng)?shù)呐月冯娙菀部梢杂行У亟档碗娫醋杩?，提高設(shè)備的抗干擾能力。

3.1.4 信號線布線與阻抗匹配

在信號傳輸過程中，不同的傳輸線和傳輸方式會對設(shè)備的抗干擾能力產(chǎn)生影響。因此，需要對信號線進(jìn)行合理的布線和匹配，減少信號傳輸過程中的反射和衰減，提高信號的穩(wěn)定性和可靠性。在信號線布線設(shè)計中，應(yīng)該選擇合適的傳輸線和傳輸方式，避免線路的交叉和重疊，減少線路之間的電磁干擾。同時，在信號匹配設(shè)計中，應(yīng)該選擇合適的電阻、電容和電感等元件，確保信號的阻抗匹配，減少信號反射和衰減對設(shè)備的影響。

3.1.5 電磁屏蔽材料與器件選擇

選擇合適的電磁屏蔽材料和器件可以有效地抑制電磁波的傳播和干擾，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。在電磁屏蔽材料選擇中，應(yīng)該選擇具有較高導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性的材料，如銅、鋁、不銹鋼等。同時，在器件選擇中，應(yīng)該選擇具有較高電磁屏蔽性能的器件，如電磁屏蔽殼、電磁屏蔽膜、電磁屏蔽彈簧等。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 實時操作系統(tǒng)（RTOS）的選擇與優(yōu)化

RTOS 在自動化設(shè)備中起著重要的作用，其可以管理設(shè)備的任務(wù)調(diào)度、中斷處理、內(nèi)存管理等，對于設(shè)備的抗干擾性能也有著重要的影響。

（1）選擇適合的RTOS。不同的RTOS 具有不同的特點和適用場景。在選擇RTOS 時，需要根據(jù)自動化設(shè)備的實際需求和運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行選擇。例如，對于需要高實時性、低延遲的自動化設(shè)備，可以選擇具有高實時性的RTOS，如VxWorks、FreeRTOS 等；對于需要大規(guī)模、高并發(fā)的自動化設(shè)備，可以選擇具有較強(qiáng)并發(fā)處理能力的RTOS，如Linux、Windows 等[5]。

（2）優(yōu)化RTOS 配置。在RTOS 中，可以通過配置相關(guān)的參數(shù)和選項來優(yōu)化設(shè)備的抗干擾性能。具體如下：①設(shè)置更高的中斷優(yōu)先級來提高中斷響應(yīng)速度，降低由于中斷延遲導(dǎo)致的干擾影響；②設(shè)置更大的任務(wù)棧大小來避免由于任務(wù)切換導(dǎo)致的堆棧溢出等異常；③開啟RTOS 的實時性檢測功能來檢測并處理具有實時性的任務(wù)延時；④優(yōu)化RTOS 的內(nèi)存管理機(jī)制，以減少內(nèi)存碎片和內(nèi)存泄漏，從而提高設(shè)備的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

3.2.2 軟件濾波算法

在自動化設(shè)備中，各種傳感器、信號采集模塊等會采集到大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中往往存在噪聲和干擾信號，需要進(jìn)行濾波處理。軟件濾波算法可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除噪聲和干擾信號，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，從而為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和正確決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

（1）常見的軟件濾波算法。包括均值濾波、中值濾波、滑動平均濾波等。這些算法都是通過對采集到的多個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除其中的噪聲和干擾信號，得到更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。例如，均值濾波可以通過計算多個數(shù)據(jù)的平均值來消除隨機(jī)波動和尖峰干擾；中值濾波可以通過將數(shù)據(jù)按大小排序并取中間值來消除異常值和脈沖干擾；滑動平均濾波可以通過計算窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值來消除隨機(jī)波動和噪聲。

（2）優(yōu)化軟件濾波算法。①根據(jù)具體的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和優(yōu)化。例如，對于具有較強(qiáng)隨機(jī)干擾的信號，可以選擇中值濾波或滑動平均濾波等方法；對于具有較大波動性的信號，可以選擇均值濾波或加權(quán)平均濾波等方法。②結(jié)合多種濾波算法進(jìn)行優(yōu)化，如先進(jìn)行中值濾波再進(jìn)行均值濾波等。③根據(jù)實際需要自定義濾波算法，以適應(yīng)特定的數(shù)據(jù)特點和抗干擾要求。

3.2.3 錯誤檢測與糾正技術(shù)

（1）錯誤檢測。常見的錯誤檢測方式有以下2種：①奇偶校驗。奇偶校驗是一種簡單的錯誤檢測方法，其通過在數(shù)據(jù)中添加校驗位來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的奇偶校驗。根據(jù)校驗位的值，數(shù)據(jù)可以被視為奇數(shù)校驗或偶數(shù)校驗。在接收數(shù)據(jù)時，接收方會檢查校驗位的值，以確定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否有錯誤。如果錯誤的數(shù)量是偶數(shù)，則校驗位的錯誤可以被檢測出來；如果錯誤的數(shù)量是奇數(shù)，則校驗位的錯誤可能無法被檢測出來[6]。奇偶校驗的優(yōu)點是簡單易用，適用于一些簡單的數(shù)據(jù)傳輸場景。但是，其只能檢測出偶數(shù)個錯誤，對于奇數(shù)個錯誤可能無法檢測出來。②循環(huán)冗余校驗（CRC）。循環(huán)冗余校驗是一種更復(fù)雜的錯誤檢測方法，它通過在數(shù)據(jù)后面添加若干位的校驗碼來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錯誤檢測。該方法可以檢測出一位或多位的錯誤數(shù)值，具有較高的檢測準(zhǔn)確性。CRC 算法的基本原理是對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，生成一個稱為CRC 校驗碼的數(shù)值，并將該數(shù)值附加在數(shù)據(jù)的末尾。在接收數(shù)據(jù)時，接收方會使用相同的數(shù)學(xué)運(yùn)算對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與CRC 校驗碼進(jìn)行比較。如果比較結(jié)果相同，則說明數(shù)據(jù)沒有錯誤；如果比較結(jié)果不同，則說明數(shù)據(jù)有錯誤。CRC 校驗碼的長度越長，檢測錯誤的能力就越強(qiáng)。但是，較長的CRC 校驗碼會增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷，可能會降低傳輸效率。因此，需要根據(jù)實際情況選擇合適的CRC 校驗碼長度。

（2）糾正技術(shù)。對于一些具有較高重要性的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行錯誤糾正。常見的錯誤糾正技術(shù)包括糾錯碼技術(shù)和海明碼技術(shù)等。糾錯碼技術(shù)可以通過增加冗余信息來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錯誤糾正，如奇偶校驗碼、漢明碼等；海明碼技術(shù)則是一種具有檢錯和糾錯能力的編碼方式，可以糾正一位或多位錯誤。這些技術(shù)可以在數(shù)據(jù)傳輸或處理過程中加入額外的校驗位或糾錯碼，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錯誤糾正。

3.2.4 數(shù)據(jù)加密與安全性保障

（1）數(shù)據(jù)加密技術(shù)。指對傳輸或存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，從而保障數(shù)據(jù)的安全性。常見的加密算法包括對稱加密算法（如DES、AES 等）和非對稱加密算法（如RSA 等）。在自動化設(shè)備中，可以根據(jù)實際需求選擇合適的加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。例如，DES 算法可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行對稱加密，AES 算法則可以加密敏感數(shù)據(jù)和大塊數(shù)據(jù)，RSA 算法則可以用于加密密鑰或數(shù)字簽名等。

（2）安全性保障。在自動化設(shè)備中，需采取一系列的安全性保障措施來進(jìn)一步保障數(shù)據(jù)的安全性。例如，可以設(shè)置用戶權(quán)限管理，限制非法訪問和操作；開啟防火墻和入侵檢測系統(tǒng)，防止網(wǎng)絡(luò)攻擊和非法入侵；備份重要數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)丟失或損壞等。

4 結(jié)束語

綜上所述，未來，隨著科技的不斷進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，自動化設(shè)備的應(yīng)用將會更加廣泛。同時，各種干擾源也會變得更加復(fù)雜和多樣化。因此，研究和開發(fā)更加先進(jìn)的抗干擾技術(shù)和措施將成為未來的發(fā)展方向。只有通過不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，才能夠更好地應(yīng)對各種干擾源，保證自動化設(shè)備的正常運(yùn)行，提高工作效率，推動工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。