随着科学技术的迅速发展人们对自控系统越来越高的要求,控制系统的可靠性、实时性和快速数据采集等因素决定了系统能否实现对目标的精确测控,这就要求在设计测控系统时要依据现场情况分析可能产生干扰的因素。 作为一个包含各种测量仪器设备、通信总线接口以及控制计算机的测试系统,电磁干扰的存在是一个不容忽视的问题,控制系统的实际运行环境不可避免地充满作各种电磁干扰,闭环控制系统的各个环节因电磁于扰出现功能失常,都将造成被控参数偏离给定参数的要求, 使产品质量下降。严重时会使被控对象停止运行,甚至损坏被控对象。电磁兼容理论和方法研究能够对干扰预先进行测试分析并判断其对系统的影响,可以采取一定措施进行处理,从而达到保证系统可靠性的目的。
1 自动控制系统中的电磁兼容问题
1.1 电磁兼容的定义
国际电工委员会标准IEC对电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,
EMC)的定义是:系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作,同时不
对其他系统和设备造成干扰。EMC 包括 EMI(电磁于扰)及 EMS(电磁
耐受性)两部份,所谓 EMI 电磁干扰,乃为机器本身在执行应有功能
的过程中所产生不利千其它系统的电磁噪声;而 EMS 乃指机器在执
行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。 EMC 包括两个
方面的要求:一方面,是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的
电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面,是指器具对所在环境中存
在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。
尤其是自动控制系统中的电磁兼容问题,关系到大多数现代工业企业,主要包含电磁干扰源,电磁干扰传播途径,电磁干扰的测量等儿个关键环节的研究。
1.2 自动控制系统中的电磁干扰的主要来源
电磁干扰(Electromagnetic Interference) , 简称 EMI,有辐射千扰和传导干扰两种。辐射于扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备;传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生于扰。
辐射干扰分布极为复杂。 控制系统置于射频场内,就会受到辐射干扰,其影响主要有两个方面:一是,直接对控制设备内部的辐射,由电磁感应产生千扰;其次,是对控制系统通信网络的辐射,由通信线路的感应引入于扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小,特别是频率有关。
传导干扰主要通过电源和信号线引入。由于控制系统的供电大都来自电厂的供电网络,覆盖全厂,电网内部的变化,如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过配电线路传到电源。控制系统中的传输线,在传输有效信息的同时, 都会有外部千扰信号侵入。 此干扰主要有以下几种方式:一是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/0信号工作异常和测鼠精度大大降低,严重时将引起元器件损伤;二是,通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电源串入的干扰,往往容易被忽视。三是,对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流, 造成逻辑数据变化、误动和死机。 控制系统因信号引入干扰造成 I/0 模件损坏数相当严重,由此引起系统故障的清况也很多。
2 自动控制系统中的抗电磁干扰措施
扰对系统的影响。 其主要措施还是要放在抑制形成干扰的 " 二要素”
上,即消除或抑制干扰源;阻断或减弱干扰的耦合通道或传输路径;削
弱接收电路对千扰的灵敏度。自动控制系统中采用的干扰抑制方式主
要是针对这三种情况采取相应的有效措施。常用的有屏蔽技术 、接地
技术、浮接技术、隔离技术、软件抗于扰等等。
2.1 屏蔽技术
在自动控制系统中,采取适当的电磁屏蔽技术可以有效地抑制电磁干扰。 实现屏蔽有两种基本途径:吸收和反射,多数情形两者都采用。它主要是利用铜或铝等低阻材料或钢等铁磁材料把元件、电路、传输线等要防护的地方包起来,目的就是隔断电磁场的耦合通道。 主要包括静电屏蔽、电磁屏蔽、低频磁屏蔽、驱动屏蔽。 在构建自动控制系统时, 可以将所有测试仪器集成在一起,安装在具有屏蔽效能的机箱内。 机箱的外壳应采用金属材料或在塑料外壳内喷涂一层金属膜作为屏蔽层;机壳的通风孔、进出线孔、连接缝隙等要足够小(孔径、缝隙宽度小于波长的二十分之一);机箱接缝处可使用导电衬垫;通风衍可采用波导管;面板显示窗可使用屏蔽玻璃材料。 这些措施可以有效地切断通过空间辐射传播的电磁干扰。 在自动控制系统中,各种各样的仪器通信控制接口是必不可少的,这些接口的存在和相互连接给电磁干扰的引入创造了条件。例如:如用做RS-232D等串行接口的”DB-x”型连接器,在连接到系统时,会形成电磁辐射信号。 如果有条件可以做一个屏蔽盖在仪器的后面,除了用带垫圈的小孔用作接口电缆和电源线的接入接出外其余部分完全被封闭,可以减小电磁干扰的影响。 在使用连接线时,应尽可能选择屏蔽型电缆,并注意把接口电缆的屏蔽与信号源的屏蔽连接起来, 如果接口设备有屏蔽时, 也应和它们接在一起。 以上屏蔽措施都可以有效地减小系统中的电磁于扰。
2.2 接地技术
在电子检测装置中,所谓的地就是指电信号系统的基准电位。 由于地线的种类繁多,如保护地、信号地和电源地等, 流经不同地线中的信号会有相互之间的电磁千扰, 所以应将不同种类的地线彼此分开,使之成为相互独立的地线系统。合理地选择接地方式是抑制电容性耦合电感性耦合及电阻性耦合,减小或削弱干扰的重要措施。但是需要注意的是接地线应尽量粗一些,变频器的接地端子不能和电源的“零线”相接电源地线应尽量加粗以减少环路电阻,走线以尽桩短、转角圆滑为原则;低频电路的地尽量采用单点并联接地,而高频电路宜采用多点串联接地;交流地线、功率地线同信号地线不能共用;信号输入、输出线避免平行并排走线;计算机控制系统的地线采用浮地,不与屏蔽地连接等等。 测试系统地线连接方法如图1所示:
2.3 其它抗干扰技术
浮接的目的是阻断干扰电流的通路,与接地相比能更强的抑制共在实际的工业生产过程中, 由于工业现场的环境往往比较恶劣, 模干扰电流。干扰严重, 为了保证自动控制系统正常工作,必须削弱和防止电磁干扰电流。
隔离是破坏干扰途径、切断噪声耦合通道,从而达到抑制干扰目的的一种技术措施。 常用的有变压器隔离法和光电耦合方法。
由于干扰存在的随机性,尤其是在一些比较恶劣的外部环境下工作的控制系统,硬件抗干扰措施并不能完全消除干扰的影响。 因此可以采用软件干扰抑制技术和硬件干扰抑制技术相结合,提高系统的可靠性。 常用的软件干扰抑制技术主要有数字滤波、冗余技术等。
3 结束语
随着工业发展,自动控制系统在工业生产过程中的应用越来越广泛,对这些系统中的电磁兼容性能进行测试评估并采取相应措施进行抑制和消除干扰是亟待解决的重要问题。