第4章 工控机抗干扰.pdf

第4章 工控机的抗干扰与可靠性技术 4.1 工控机的运行环境 4.2 噪声干扰的抑制措施 4.3 过程通道的抗干扰措施 4.4 系统供电与接地的抗干扰措施 4.5 Watchdog和系统支持 4.6 容错设计 4.1 工控机的运行环境 工控机大多用于工业控制现场，恶劣的运行环境严重地影响着系统 的稳定性和可靠性。其恶劣运行环境主要表现在供电条件、噪声环 境、灰尘、腐蚀性气体等方面。 4.1.1 恶劣的供电条件 • 大功率设备(大感性负载)的启动、停止——造成严重的电网污 染，使得电网大幅度涨落（浪涌）。 • 工业电网电压的欠压或过压可达到额定电压的±15%以上，这种状 况有时长达几分钟、几小时、甚至几天。 • 大功率开关（电动机、电焊机、电炉炼钢）的通断——造成电网 出现几百伏、甚至几千伏的尖脉冲干扰。 4.1.2 严重的噪声环境 微型计算机控制系统中除了电网引入的严重干扰以外，通过控制系统 开关量输入输出通道引入的干扰也非常严重。在工业现场由于输入输出的 信号线多，长度达到几百米甚至几千米，因此干扰将不可避免地会被引入 到控制系统中。当有大的电器设备漏电，接地系统不完善，或测量部件绝 缘不好，都会使通道中直接串入很高的共模电压或串模电压；各通道的线 路如果同处一根电缆中或绑扎在一起，各路间会通过电磁感应而产生相互 间的干扰，尤其是将直流信号线与交流信号线同套在一根长达几百米的管 中时，其干扰更为严重。这种彼此感应产生的干扰仍然是在通道中形成共 模或串模电压。轻者会使测量信号产生误差，重者会使有用信号完全淹 没。有时这种通过感应产生的干扰电压高达几十伏以上，致使控制系统无 法工作。 4.1.3 干扰信号的进入渠道 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。因此要想系统正常工作就必须要减少干扰，要想减少干扰就 应要熟悉干扰信号的进入渠道。其干扰进入的主要渠道为：噪声干扰、过 程通道干扰和供电系统干扰，这些干扰一般以脉冲形式存在，如图4-1所 示。 噪声干扰是电磁信号通过空间辐射进入系统； 过程通道干扰是通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它 系统的互连通道进入的； （难点） 供电系统干扰则是电磁信号通过供电线路进入系统的。 4.2 噪声干扰的抑制措施 4.2.1 噪声干扰的耦合方式 导线间的相互耦合是噪声干扰的主要因素之一，因此本节重点讨论如 何防止导线干扰的问题。导线间的相互干扰，主要通过3种耦合产生， 即： • 电容性耦合或称电耦合，这是两回路的电场相互作用的结果。 • 电感性的或称磁耦合，它是两个回路的磁场相互作用的结果。 • 由电场和磁场组合而成的，称为电磁耦合或辐射。在电磁场情况下，同 时解决电场耦合和磁场耦合的方法是适宜的。 在分析近场时，一般可把电场和磁场分别进行处理，但在分析远 场时，则应按电磁场的组合来考虑。 通道间的相互耦合属于近场。本节将分别讨论对电场和磁场的耦 合干扰的处理方法。 1．电场耦合与抑制 电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。电场 干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统。如图4-2所 示。 • 消除或抑制U1 • 设法减少C12 • 尽量降低R • 尽量增大C2g 2．磁场耦合与抑制 磁场耦合又称电磁耦合，在任何载流导体周围都会产生磁场， 当电流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路中 产生感应电势引起干扰。在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引 起干扰；在设备外部，平行架设的两根导线也会产生干扰，由于感 应电磁场引起的耦合，可以计算感应电压。