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1、第5章 计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。 抗干扰的方法有硬件措施、软件措施，还有软硬件结合的措施。工业控制计算机系统的干扰可以分为三类，即: 电源干扰 空间干扰 设备干扰。,5.1 干扰源与干扰耦合方式,5.1.1干扰来源,1. 电源干扰 电源干扰是指来自供电电源的干扰，主要有：浪涌、尖峰、噪声和断电。(1)浪涌 大功率设备感性负载设备的启动或停止造成浪涌。(2)尖峰 大功率开关的通断，使电网上出现尖峰脉冲。 (3)噪声 噪声随供电电源侵入系统。 (4)断电 断电、电网调度高压切换中的瞬间断电。,2. 空间干扰(1)静电
2、和电场的干扰 系统的部分设备产生静电，或部分设备在某个电场之中。(2)磁场干扰 系统设备与某些能够产生磁场的电气设备构成电磁感应。(3)电磁辐射干扰 通信发射台；可控硅逆变电源、变频调速装置等发出的电磁波干扰。3. 设备干扰 设备干扰是指设备内部或设备之间产生的干扰。以上三种干扰，来自交流电源的干扰最为严重，其次为设备干扰，特别是来自通道的干扰，再其次为来自空间的辐射干扰。,干扰信号进入到计算机测控系统中的主要耦合方式分为四种： 静电耦合方式 电磁耦合方式 共阻抗耦合方式 电磁场辐射耦合方式。1. 静电耦合方式 当二根导线平行地放置至一定距离时，该二根导线之间的电容就构成了它们相互间的电容性耦
3、合。2. 电磁耦合方式 在设备内部，线圈或变压器的漏磁就是一个很大的干扰源； 在设备外部，当二根导线在较长的距离内敷设或架设时，将会产生电磁耦合干扰。,5.1.2干扰信号的耦合方式,空间感应包括静电场、高频电磁场以及磁场引起的干扰，主要采用隔离、屏蔽和接地方法解决。屏蔽的基本概念: 将电力线或磁力线限定在某个范围内或阻止它们进入某个范围。按抗干扰性能屏蔽可分为静电屏蔽，电磁屏蔽和磁屏蔽。电场屏蔽: 解决由于分布电容耦合电场干扰，必须将屏蔽体接地。电磁屏蔽: 克服高频电磁场干扰，它利用导体在电磁场内产生涡流效应来削弱电磁场的干扰。若将屏蔽接地，则可同时起到电场屏蔽作用。磁屏蔽: 防止低频磁通的干
4、扰，它是利用高导磁率材料，如坡莫合金，铁氧体等将敏感电路包围，使干扰磁场短路。,5.2 空间抗干扰的措施,空间感应的抗干扰措施可以有：1. 空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源。 2. 屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层。 3. 高电平线和低电平线不走同一电缆，同一插件。 4. 模拟信号线与数字信号线不走同一根电缆。 5. 信号线与电源线要分开，避免平行敷设。 6. 注意屏蔽的连续性。即不要使屏蔽体中间断开或使屏蔽体与被屏蔽体过早分离。 7. 采用双绞线(或带屏蔽的双线)或同轴电缆，可以大大减小电磁干扰。,干扰的作用方式，一般可分为串模干扰和共模干扰，如图5.4所示。,图 5.4干扰信
5、号形式,5.3过程通道的抗干扰措施,1串模干扰及其抑制 叠加在被测信号上的干扰信号称为串模干扰。 可以采取下列措施尽量减少其影响。 (1)采用输入滤波器 (2)进行电磁屏蔽和良好的接地 2共模干扰及其抑制,图5.7共模干扰示意图,共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。 Vs为信号源，Vg为共模电压。,抑制共模干扰的措施有： (1) 采用差分放大器做信号前置放大 (2) 采用隔离技术将地电位隔开当信号地与放大器地隔开时， Vg不形成回路，就不能转成串模干扰。常用的隔离方法是使用变压耦合或光电耦合。若被测信号是直流信号，采用变压器隔离时，就必须采用调制
6、解调技术。由变压器构成的隔离放大器如图5.9所示。,图 5.9 隔离放大器,将光电耦合器与压频(VF)变换器、频压(FV)变换器组合起来，形成组合式模拟隔离器。,图5.10 脉冲光电耦合,(3)利用浮地屏蔽 采用双层屏蔽三线采样(Sl，S2，S3)浮地隔离放大器来抑制共模干扰电压。,图5.11 双层浮地屏蔽保护原理图,5.4 系统供电与接地的抗干扰措施,5.4.1系统供电的抗干扰措施,考虑采取电源保护措施，防止电源干扰，并保证不间断地供电。 1. 供电系统的一般保护 交流稳压器抑制电网电压波动的影响，保证220VAC供电。 低通滤波器让50Hz的基波通过，而滤除高频干扰干扰信号。 直流稳压电源
7、采用开关电源。对电网电压的波动适应性强，抗干扰性能好。,图 5.12 一般计算机控制系统供电结构,2.电源异常的保护 采用不间断电源UPS不中断供电。,图5.13 具有不间断电源的供电结构,计算机系统接地的目的： 抑制干扰， 保护计算机、电器设备和操作人员的安全。接地分为工作接地和保护接地两大类。 保护接地 避免操作人员触电以及保证设备的安全; 工作接地 保证控制系统稳定可靠地运行，防止地形成环路引起干扰。,5.4.2系统接地的抗干扰措施,1. 接地系统分析 接地线分为以下几类：模拟地，数字地，安全地，系统地，交流地。 模拟地是系统中的传感器、变送器、放大器、AD和D/A转换器中模拟电路的零电
8、位。 数字地是计算机中数字电路的零电位，为避免对模拟信号造成数字脉冲的干扰，数字地应与模拟地分开。 安全地又称为保护地或机壳地，其目的是让设备机壳与大地等电位。 系统地是上述几类地的最终回流点，直接与大地相连。 交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，其地电位很不稳定。交流地绝对不允许与上述几类地相连。根据接地理论， 低频电路(频率小于1MHz)应单点接地，高频电路(频率大于10MHz)应就近多点接地。介于低频与高频之间时，单点接地的地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。 在计算机控制系统中，对上述各类地均采用分别回流法单点接地，如图5.14所示。,图5.14 分别回流法接地示
9、例,2. 低频接地技术 (1)一点接地方式 串联接地 各电路间相互会发生干扰, 适用各电路的电平相差不大. 并联接地 不会因地电流而引起各电路间的耦合，其缺点是需要连很多根地线。,（a） 串联一点接地 （b） 并联一点接地图5.15一点接地方式,（2）实用的低频接地 分组接法：一般的过程计算机控制系统中至少有三条分开的地线低电平电路地线: 继电器、电动机等的地线（ “噪声”地线）； 设备机壳地线（“金属件”地线）； 电源地线和金属件地线相连。三条地线在一点连接接地。,图 5.16实用低频接地方式,3. 输入通道的接地技术 (1)电路一点地基准 信号源端接地时，放大器电源不接地；放大器接地时，信
10、号源不接地。 (2)电缆屏蔽层的接地 信号电路一点接地时，低频电缆的屏蔽层也一点接地。4. 主机外壳接地 机芯浮空，主机外壳作为屏蔽罩接地。5. 多机系统的接地 多机一点接地。,图5.17主机外壳接地，机芯浮空,当侵入的尖峰脉冲干扰使程序编码的某一位(或数位)发生改变时，程序可能“飞掉”,Watchdog技术可帮助系统恢复正常运行。 1. 监控定时器Watchdog的工作原理图5.19 监控定时器Watchdog工作原理示意图 Tl是应用程序的运行周期；定时器TM2是Watchdog。利用溢出脉冲P2并附加必要的程序设计，可以检测系统的出错，使应用程序重新恢复正常运行或使系统复位后恢复运行。,
11、5.5 采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施,2. 监控定时器Watchdog的实现方法 图5.21所示的电路结构方框图就是实用方案中的一种。,总线,D,0,D,7,A,2,A,7,A,0, A,1,CLOCK,NMI,译,码,器,反,相,器,单,稳,态,计,数,器,图5.21 监控定时器Watchdog的实现电路,5.6 提高计算机控制系统的可靠性措施,5.6.1 可靠性,可靠性是指机器、零件或系统，在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。 狭义的可靠性是指一次性使用的机器、零件或系统的使用寿命。 衡量可靠性的指标常用的有：可靠度、MTBF、MTTF及故障率。 可靠度
12、(Reliability)：指机器、零件或系统，从开始工作起，在规定的使用条件下的工作周期内，达到所规定的性能，即无故障正常状态的概率，用R(t)表示。即： R(t)P(Xt) 可靠度R(t)具有下列性质： R(0)1； 0R(t)1； R(t)是时间t的单调递减函数。, MTBF(Mean Time Between Failures)：平均故障时间指可修理机器、零件或系统，相邻故障期间的正常工作时间的平均值。 MTTF(Mean Time To Failures)：到发生故障的平均时间指不能修理的机器、零件或系统，至发生故障为止的工作时间的平均值，即指不可修理产品的平均寿命。 故障率(Fai
13、lure Rate)：通常指瞬时故障率。它是指能工作到某个时间的机器、零件或系统，在连续单位时间内发生故障的比例，用(t)表示。又称失效率、风险率。 设N个同类型元件，到t时刻有Ns个元件仍正常工作，NFNNs个元件失效。则 上式表明，故障率(t)等于t以后的单位时间内失效元件数与t时刻仍有效的元件数之比。,5.6.2 提高可靠性的途径,日本横河公司对集散系统的可靠性设计提出了三个准则。系统运行不受故障影响的准则 冗余设计可以使系统某一部件发生故障时能够自动切换。 多级操作可以使系统某一部件发生故障时能够旁路或者降级使用。系统不易发生故障的准则 从系统的基本部件着手，提高系统的MTBF。迅速排除故障的准则 是一条维修性设计准则。包括故障诊断、系统运行状态监视、部件更换等设计。,
