冶金工業(yè)測控抗干擾問題分析
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1引言
隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,計算機控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今自動控制的主流,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,它們在啟動和運行中將產(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對測控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這些干擾源形成的干擾信號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、強電流導(dǎo)線周圍空間都會產(chǎn)生磁場,交變磁場會在信號回路內(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)生在兩個電路電流有共同通路的情況。如:兩個電路的電源流經(jīng)一個公共阻抗時,一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路。
(5)漏電耦合這種耦合是純電阻性的,在絕緣不好時就會發(fā)生。干擾一旦產(chǎn)生后,若不能及時、有效地消除,微機測控系統(tǒng)將不能正常工作。因此,在冶金工業(yè)測控系統(tǒng)設(shè)計中,抗干擾能力的強弱是系統(tǒng)能否正常可靠運行的關(guān)鍵。
3系統(tǒng)的硬件抗干擾措施
3.1濾波技術(shù)
在信號傳輸中,由于各種因素的影響,在信號上往往會疊加很多干擾噪聲而妨礙系統(tǒng)正常工作。利用電容、電感等儲能元件可以抑制因負載變化而產(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現(xiàn)信號的傳遞,從而達到隔離現(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和次級繞組分別纏繞在鐵氧體磁芯的兩側(cè),分布電容僅幾pf,可作為脈沖信號的隔離器件。初級和次級繞組分別連接信號的輸入和輸出。
3.2.2繼電器隔離利用繼電器的線圈與觸點之間沒有電氣聯(lián)系的特點,在信號通道里加接繼電器可實現(xiàn)強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線隔斷,而傳輸?shù)男盘柾ㄟ^觸點傳遞給后面的回路。
3.2.3光電隔離它由光電耦合器來實現(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行工作,因而在電氣上輸入和輸出是完全隔離的,信號單向傳輸,共模抑制比大,無觸點,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工作接地信號回路的基準(zhǔn)電位點。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。信號電纜屏蔽層接地:最佳選擇是在信號源一側(cè)單點接地,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)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(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
對微機測控系統(tǒng)的干擾,往往具有隨機性且頻譜范圍很寬,因此,在采用硬件抗干擾措施的同時,還需加入軟件抗干擾措施,以確保系統(tǒng)的正常運行。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指定地址,在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。當(dāng)彈飛的程序進入非程序區(qū),冗余指令便無法起作用時,通過設(shè)置軟件陷阱攔截彈飛的程序,將其引向指定位置,再進行出錯處理。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,能及時捕獲錯誤的中斷。
4.2.3在運行程序區(qū),由于程序一般采用模塊化設(shè)計,因此可在模塊與模塊之間放置軟件陷阱。若正常運行,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)的正常運行。SAMP:MOVR0,#2CHMOVR2,#03HMOVDPTR,#03F8HSAM1:MOVX@DPTR,A;啟動A/D轉(zhuǎn)換器工作MOVR3,#20HDLY:DJNZR3,DLY;延時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NOP;陷阱NOPLJMPERR
4.3“看門狗”技術(shù)
當(dāng)微機測控系統(tǒng)受到強干擾產(chǎn)生失控,使程序陷入一個臨時構(gòu)成的死循環(huán),冗余指令和軟件陷阱也無法解決時,可采用“看門狗”技術(shù)。“看門狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視循環(huán)運行時間,發(fā)現(xiàn)超時,則認為系統(tǒng)陷入死循環(huán),系統(tǒng)就自動復(fù)位并從0000H地址重新啟動。在冶金工業(yè)測控系統(tǒng)中,嚴(yán)重的干擾有時會破壞中斷方式控制字,關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無法定時“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)。用定時器T0監(jiān)視定時器T1,用定時器T1監(jiān)視主程序,主程序監(jiān)視定時器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定時器進行串口通訊的測控系統(tǒng),則定時器T1不能進行中斷,可改由串口中斷進行監(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,如果選用RC模擬濾波器濾波會導(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。其計算公式如下:Yn=αXn+(1-α)Yn-1式中:Xn為n次采樣時濾波器輸入值;Yn,Yn-1分別為n次,n-1次采樣時濾波器的輸出值;α=T/(T+Tf)為濾波系數(shù),其中T為采樣周期,n次采樣時濾波器輸入值;Tf為濾波時間常數(shù)。α由實驗確定。
4.4.3對周期性干擾的濾波常用遞推平均濾波法來實現(xiàn)。它始終取最新的N個輸入信號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,則進行超限判斷CPLA;若差值為負,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)微機測控系統(tǒng)中的干擾是一個十分復(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)定可靠地運行。
