冶金工業(yè)測控抗干擾問題分析

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1引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今自動(dòng)控制的主流,被越來越廣泛地應(yīng)用在冶金生產(chǎn)過程控制中,發(fā)揮了極其重要的作用。但是,由于冶金企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的紛繁復(fù)雜和工作條件的惡劣,對微機(jī)測控系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的干擾。要使測控系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,必須從多方考慮、分析干擾產(chǎn)生的原因,有的放矢地加入各種抗干擾措施,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本文將從硬件和軟件兩方面分析抗干擾的有關(guān)問題。

2測控系統(tǒng)干擾的成因分析

在冶金企業(yè)生產(chǎn)過程控制的現(xiàn)場,往往有許多大功率電器設(shè)備,它們在啟動(dòng)和運(yùn)行中將產(chǎn)生各種干擾噪聲,此外,來自空間無線電波、雷電、高電壓、大電流的電力電線等都會(huì)對測控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這些干擾源形成的干擾信號(hào)往往通過一定的耦合通道對測控系統(tǒng)產(chǎn)生影響。常見的干擾耦合方式有以下幾種:

(1)直接耦合這是最直接的方式,也是系統(tǒng)中存在最普遍的一種方式。例如:干擾信號(hào)通過電源線侵入系統(tǒng)。

(2)電容耦合又稱電場耦合或靜電耦合。是由于分布電容的存在而產(chǎn)生了附加的噪聲電壓。

(3)電磁感應(yīng)耦合又稱磁場耦合。大功率設(shè)備、強(qiáng)電流導(dǎo)線周圍空間都會(huì)產(chǎn)生磁場,交變磁場會(huì)在信號(hào)回路內(nèi)產(chǎn)生疊加噪聲電壓。

(4)公共阻抗耦合這是常見的耦合方式,這種形式常常發(fā)生在兩個(gè)電路電流有共同通路的情況。如:兩個(gè)電路的電源流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí),一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路。

(5)漏電耦合這種耦合是純電阻性的,在絕緣不好時(shí)就會(huì)發(fā)生。干擾一旦產(chǎn)生后,若不能及時(shí)、有效地消除,微機(jī)測控系統(tǒng)將不能正常工作。因此,在冶金工業(yè)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,抗干擾能力的強(qiáng)弱是系統(tǒng)能否正?？煽窟\(yùn)行的關(guān)鍵。

3系統(tǒng)的硬件抗干擾措施

3.1濾波技術(shù)

在信號(hào)傳輸中,由于各種因素的影響,在信號(hào)上往往會(huì)疊加很多干擾噪聲而妨礙系統(tǒng)正常工作。利用電容、電感等儲(chǔ)能元件可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲。圖1為電感電容濾波的示意圖,電感線圈可根據(jù)變壓器的初級(jí)電流,在適當(dāng)?shù)慕^緣磁棒上繞50～100圈即可,電容可用0.01μF/400V。因此,在硬件抗干擾技術(shù)中,合理地加入濾波器及精心設(shè)計(jì)它的參數(shù)是非常重要的。

3.2隔離技術(shù)

隔離是將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡?、磁、光及其它物理量作為中間量,使兩側(cè)的電流回路相對隔離又能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞,從而達(dá)到隔離現(xiàn)場干擾的目的。常用的隔離方式有變壓器隔離、繼電器隔離和光電隔離三種。

3.2.1變壓器隔離脈沖變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組分別纏繞在鐵氧體磁芯的兩側(cè),分布電容僅幾pf,可作為脈沖信號(hào)的隔離器件。初級(jí)和次級(jí)繞組分別連接信號(hào)的輸入和輸出。

3.2.2繼電器隔離利用繼電器的線圈與觸點(diǎn)之間沒有電氣聯(lián)系的特點(diǎn),在信號(hào)通道里加接繼電器可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電之間的抗干擾隔離。圖2采用繼電器隔離,繼電器把引入的信號(hào)線隔斷,而傳輸?shù)男盘?hào)通過觸點(diǎn)傳遞給后面的回路。

3.2.3光電隔離它由光電耦合器來實(shí)現(xiàn)的。由于光電耦合器的輸入阻抗很低,輸入/輸出間的電容很小,絕緣電阻很大,且以光為媒介進(jìn)行間接耦合,因此具有很高的電氣隔離和抗干擾能力。圖3采用光電耦合器隔離,中間環(huán)節(jié)借助于半導(dǎo)體二極管的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體三極管的光接收來進(jìn)行工作,因而在電氣上輸入和輸出是完全隔離的,信號(hào)單向傳輸,共模抑制比大,無觸點(diǎn),響應(yīng)速度快。

3.3屏蔽與接地技術(shù)

屏蔽與接地是提高系統(tǒng)抗干擾能力,抑制噪聲的重要手段。屏蔽是指用屏蔽體把通過空間與電場、磁場或電磁場的耦合通道隔離。良好的屏蔽是和接地緊密相連的。接地又分為安全接地,工作接地和屏蔽接地三類。

3.3.1安全接地設(shè)備金屬外殼等的接地。它可起到安全的作用并可抑制變化電場的干擾。

3.3.2工作接地信號(hào)回路的基準(zhǔn)電位點(diǎn)。它為系統(tǒng)的各部分提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位。對這種接地的要求是盡量減少接地回路中的公共阻抗壓降,以減少系統(tǒng)中干擾信號(hào)的公共阻抗耦合。

3.3.3屏蔽接地是指電纜、變壓器等屏蔽層的接地。信號(hào)電纜屏蔽層接地:最佳選擇是在信號(hào)源一側(cè)單點(diǎn)接地,這樣既可以抑制共模干擾,也可以抑制靜電感應(yīng)引起的干擾。雙絞線接地:雙絞線中一根為信號(hào)線,另一根為屏蔽線,它應(yīng)兩端接地,這樣可防止電磁干擾。變壓器屏蔽層接地:良好的屏蔽層接地可充分抑制靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)的干擾。在微機(jī)控制系統(tǒng)中,通常是把數(shù)字和模擬電路的工作地浮空,而設(shè)備外殼采用屏蔽接地,這樣既安全,又提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

3.4去耦電路

數(shù)字電路信號(hào)電平轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流,并在傳輸線和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降,形成嚴(yán)重干擾。為了抑制這種干擾,在電路中要配置去耦電容,即在門電路的電源端與地線端加接電容,它一方面提供吸收該集成電路開關(guān)門瞬間的充放電能量,另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。

4系統(tǒng)的軟件抗干擾措施

對微機(jī)測控系統(tǒng)的干擾,往往具有隨機(jī)性且頻譜范圍很寬,因此,在采用硬件抗干擾措施的同時(shí),還需加入軟件抗干擾措施,以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。下面介紹幾種常用的軟件抗干擾技術(shù)。

4.1指令冗余技術(shù)

當(dāng)CPU受到干擾后,往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行,引起程序混亂。因此,在關(guān)鍵的地方人為插入一些單字節(jié)指令,或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余。常用的方法有以下幾種。

4.1.1在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個(gè)字節(jié)以上的空操作指令。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上,由于空操作指令的存在,避免了后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行,程序自動(dòng)納入正軌。

4.1.2在對系統(tǒng)流向起重要作用的指令之前插入兩條空操作指令,也可將亂飛程序納入正軌,確保這些重要指令的執(zhí)行。

4.2軟件陷阱技術(shù)

軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復(fù)位入口地址或引向一個(gè)指定地址,在那里有一段專門對程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。當(dāng)彈飛的程序進(jìn)入非程序區(qū),冗余指令便無法起作用時(shí),通過設(shè)置軟件陷阱攔截彈飛的程序,將其引向指定位置,再進(jìn)行出錯(cuò)處理。設(shè)置軟件陷阱的具體做法如下。

4.2.1在程序中未使用的EPROM空間,可用數(shù)據(jù)0000020000H(即指令NOP;NOP;LJMP0000H)填滿,當(dāng)亂飛的程序落到此區(qū),即可自動(dòng)轉(zhuǎn)入正軌。

4.2.2對未使用的中斷,由于干擾而開放,在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱,能及時(shí)捕獲錯(cuò)誤的中斷。

4.2.3在運(yùn)行程序區(qū),由于程序一般采用模塊化設(shè)計(jì),因此可在模塊與模塊之間放置軟件陷阱。若正常運(yùn)行,不執(zhí)行陷阱指令,一旦程序亂飛入這些陷阱區(qū),可立即讓它回到正常軌道運(yùn)行。例如:在加熱爐溫度測控系統(tǒng)的采樣子程序中,設(shè)置如下的軟件陷阱后,保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。SAMP:MOVR0,#2CHMOVR2,#03HMOVDPTR,#03F8HSAM1:MOVX@DPTR,A;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器工作MOVR3,#20HDLY:DJNZR3,DLY;延時(shí)HERE:JBP3.3HERE;等待A/D完成MOVXA,@DPTR;采樣值送AMOV@R0,AINCR0DJNZR2,SAM1;若采樣未完,則繼續(xù)RET;斷裂點(diǎn)NOP;陷阱NOPLJMPERR

4.3“看門狗”技術(shù)

當(dāng)微機(jī)測控系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾產(chǎn)生失控,使程序陷入一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán),冗余指令和軟件陷阱也無法解決時(shí),可采用“看門狗”技術(shù)?！翱撮T狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視循環(huán)運(yùn)行時(shí)間,發(fā)現(xiàn)超時(shí),則認(rèn)為系統(tǒng)陷入死循環(huán),系統(tǒng)就自動(dòng)復(fù)位并從0000H地址重新啟動(dòng)。在冶金工業(yè)測控系統(tǒng)中,嚴(yán)重的干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字,關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無法定時(shí)“喂狗”,硬件看門狗電路失效。而軟件“看門狗”可有效地解決這類問題?？梢圆捎铆h(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。用定時(shí)器T0監(jiān)視定時(shí)器T1,用定時(shí)器T1監(jiān)視主程序,主程序監(jiān)視定時(shí)器T0。采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能,大大提高了系統(tǒng)可靠性。對于需經(jīng)常使用T1定時(shí)器進(jìn)行串口通訊的測控系統(tǒng),則定時(shí)器T1不能進(jìn)行中斷,可改由串口中斷進(jìn)行監(jiān)控。這種軟件“看門狗”監(jiān)視原理是:在主程序、T0中斷服務(wù)程序、T1中斷服務(wù)程序中各設(shè)一運(yùn)行觀測變量,假設(shè)為MW、T0W、T1W,主程序每循環(huán)一次,MW加1,同樣T0、T1中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次,T0W、T1W加1。在T0中斷服務(wù)程序中通過檢測T1W的變化情況判定T1運(yùn)行是否正常,在T1中斷服務(wù)程序中檢測MW的變化情況判定主程序是否正常運(yùn)行,在主程序中通過檢測T0W的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測到某觀測變量變化不正常,比如應(yīng)當(dāng)加1而未加1,則轉(zhuǎn)到出錯(cuò)處理程序作排除故障處理。

4.4數(shù)字濾波技術(shù)

用來抑制疊加在模擬輸入信號(hào)上噪聲。尤其適用于硬件濾波難于消除的偶然脈沖干擾、低頻干擾和周期性波動(dòng)干擾的場合。

4.4.1對偶然脈沖干擾的濾波:可采用超值濾波法或中值濾波法。超值濾波法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷確定兩次采樣允許的最大偏差△Y,若前后兩次采樣值差值大于△Y,則本次采樣值視為由干擾引起的無效值,仍取上次值;若小于△Y,則本次值有效。中值濾波法是對被測參數(shù)連續(xù)采樣N次(N為奇數(shù)),然后把N次采樣值按大小排列,取中間值為本次采樣值。

4.4.2對低頻干擾的濾波:當(dāng)產(chǎn)生低頻干擾時(shí),如果選用RC模擬濾波器濾波會(huì)導(dǎo)致漏電流加大,使RC網(wǎng)絡(luò)精度降低,可使用軟件數(shù)字濾波程序來完成。其計(jì)算公式如下:Yn=αXn+(1-α)Yn-1式中:Xn為n次采樣時(shí)濾波器輸入值;Yn,Yn-1分別為n次,n-1次采樣時(shí)濾波器的輸出值;α=T/(T+Tf)為濾波系數(shù),其中T為采樣周期,n次采樣時(shí)濾波器輸入值;Tf為濾波時(shí)間常數(shù)。α由實(shí)驗(yàn)確定。

4.4.3對周期性干擾的濾波常用遞推平均濾波法來實(shí)現(xiàn)。它始終取最新的N個(gè)輸入信號(hào)的平均值作為濾波器的輸出,能有效地抑制周期性干擾。在加熱爐溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,采用超值濾波算法有效地抑制了來自控制現(xiàn)場對溫度采樣值的干擾。相應(yīng)程序如下:FILT:MOV30H,31H;當(dāng)前有效值送30HACALLSAMP;本次采樣值存入AMOV31H,A;暫存于31HCLRCSUBBA,30H;求兩次采樣差值JNCFILT1;若差值為正,則進(jìn)行超限判斷CPLA;若差值為負(fù),則求絕對值INCAFILT1:ADDA,#0FDH;超限?JNCFILT2;若不超限,則本次采樣有效MOV31H,30H;若超限,則上次采樣值送31HFILT2:RETSAMP:采樣子程序

5結(jié)束語

冶金工業(yè)微機(jī)測控系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問題,干擾的產(chǎn)生原因是多種多樣的,干擾的強(qiáng)弱、影響的程度也是千差萬別的。因此,在系統(tǒng)開發(fā)過程中的抗干擾設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制干擾,對有些干擾情況還需做具體分析,采取行之有效的措施,才能使測控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。