計算機系統抗干擾的探討

朱維泰

近年來，計算機系統快速發展，在各個領域中都得到了廣泛應用。它集成了系統的檢測、辯識、顯示、控制、歷史趨勢、報警于一體，并進行聯網管理，組成有級別的專家系統。計算機系統的可靠性直接影響到工業企業的安全生產和經濟運行，系統的抗干擾能力是保證整個系統可靠運行的關鍵。在實驗室里具有優越性能且正常運行的系統，到了實際環境中不能按預期工作。一些在國外有運行實績且技術性能先進的集散控制系統（DCS），若不綜合考慮和處理好現場電磁環境和兼容問題，系統的接地源和連接質量問題，也不能保證安全可靠運行。我國工業現場電磁環境較為復雜，要提高計算機系統可靠性，一方面，要求生產制造單位按可靠性設計的要求，提高系統抗干擾能力；另一方面，要求工程設計、安裝施工和使用維護單位引起高度重視，如安裝環境、接地點、震動和周圍磁場的考慮。各方配合才能比較有效地解決問題，最大限度地增強系統的抗干擾性能。

一、電磁干擾源及其對計算機系統干擾機制

1.空間的輻射干擾（EMI）

其產生主要是由于供電網絡和電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達和通信等，我們通常稱之為輻射干擾，分布極為復雜。它們對計算機系統影響途徑有兩條，其一是直接對計算機內部的輻射，由電路感應產生干擾；其二是計算機系統外圍設備及其通信網絡的輻射，由外圍設備和通信線路的感應引入干擾。

2.系統外引線干擾源

主要是通過電源和信號波引入，通常稱為傳輸干擾，在我國工業應用領域較為嚴重。通常變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源即配電器串入的電網干擾，容易被忽視；信號線受空間電磁輻射感應的干擾也很嚴重，由信號引入的干擾會引起I/O接口工作異常和測量精度嚴重降低。對于隔離性能差的系統，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統總回流，造成邏輯數據變化、“沖程”和死機。

3.接地系統混亂時的干擾

工業計算機系統的地線包括模擬地、邏輯地、交流地、直流地和保護地等，必須處理好，否則計算機系統可能無法正常工作。接地系統混亂對計算機系統的干擾主要是大地電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環路電流，影響系統正常工作。

4.計算機系統內部的干擾

主要是系統內部元器件及電路間的相互電磁耦合、電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。計算機制造廠對系統內部進行電磁兼容（EMC）設計的內容比較復雜，作為應用部門無法改變，可不必過多考慮，但要選擇具有較多應用實績或經過考驗的系統。

二、計算機系統應用中的可靠性設計

1.干擾及其干擾的影響

干擾對模擬電路的影響是連續的，這種影響隨著干擾增加而加大，如干擾源消失，系統即恢復原來的狀態。數字電路所用的邏輯元件都有各自的閾電平和與之相對應的噪聲容限，只要外來干擾不超過邏輯元件的噪聲容限，就不會影響電路。但是，如果輸入系統的干擾超過噪聲容限，干擾可能會觸發觸發器和存儲器所保存的信息，系統程序便有失控的危險。

2.容錯技術和應用

由于干擾不可能完全清除，只能在應用中考慮消除、抑制或減少錯誤，軟件運行時所遇到的用戶操作錯誤、硬件故障，以及其他軟件引起的錯誤，必須利用容錯技術加以解決。

3.在進行具體工程的抗干擾設計時應注意的問題

（1）設備選型。首先，應選擇具有較高抗干擾能力，包括內部電磁兼容性，特別是抗干擾能力的產品，如采用浮地技術、隔離性能好的計算機。設備選型時，應了解生產廠給出的抗干擾指標，或共模擬制比、差模擬制比、耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環境中工作。其次，考查其在類似工作中的應用實績，特別不能迷信國外進口產品。我國采用220V高內阻電網制式，尤其是帶隔離的干凈電源，而歐美地區是110V低內阻電網。由于我國電網內阻大，零點電位漂移大，地電位變化大，工業企業現場的電磁干擾至少要比歐美地區嚴重4倍以上，對系統抗干擾性能要求更高，在國外能正常工作的計算機產品在國內工作現場不一定能可靠運行，這也是為實踐所證明的。

（2）主要考慮來自系統外部的幾種干擾抑制措施。主要設計內容包括：對計算機系統及外引線進行屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對外引線進行隔離、濾波特別遠離動力電纜，分層布置，以防通過外引線引入傳導電磁干擾；正確設計接地點和接地裝置，完善接地系統。

三、主要抗干擾措施

1.采用性能優良的隔離電源，抑制電網引入的干擾

電網干擾串入主要通過計算機系統的供電電源（如主機電源，I/O電源等）、變送器供電電源和與計算機系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入。目前計算機系統（如主機、I/O等）的供電電源一般隔離性能較好。對于變送器供電的電源即配電器與計算機系統有直接電氣連接（如共用信號等）的儀表的供電電源，往往由于工程設計或使用單位選配，必須引起足夠的重視。

2.正確選擇接地點，完善接地系統

（1）全系統采用統一接地網。由于工業現場環境的限制，與辦公用獨立的單機系統不同，工業計算機系統與大量的過程信號相連接，而過程信號又往往在現場接地（如熱電偶熱端接地等），不可能設置完全隔離的獨立接地系統。因此，工業計算機系統的接地網宜與現場電氣接地網共用，否則對突變電磁場（如雷雨、浪涌等）的沖擊將給計算機帶來更大的干擾。所有需要接地的點應通過拉地線與接地網牢固連接，且連接點盡量靠近。

（2）信號屏蔽層的接地必須保證單點接地。信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地；不接地時，應在計算機側接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應相互連接并進行絕緣處理。對于計算機系統的輸出信號，確認是模擬量還是屏蔽輸出信號，其屏蔽接地均應接在機柜接地母板上，再由母板接地。對于帶有中間接地箱柜（盒）的過渡接線方式，要求拉地柜（盒）內屏蔽層用導線短接在一起，選擇適當的接地處單點接地。

（3）合理選擇和敷設信號電纜。不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應按傳輸信號的種類分層敷設，嚴禁用同一電纜的不同導線同時傳送電源和信號，并避免信號線與動力電纜靠近平行敷設，以防止電磁干擾。

（4）硬件濾波。信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，可減少共模干擾；信號兩極間加裝濾波器減小差模干擾。

（5）軟件抗干擾措施。由于電磁干擾的復雜性，僅依靠硬件從根本上消除干擾影響是不可能的。因此，在工業計算機系統的軟件設計和組態時，還必須在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統的安全性。

四、結束語

工業計算機系統工程化應用的電磁兼容性設計是一個系統工程，必須全面考慮并在各個環節上予以高度重視。我國工業現場電磁環境十分復雜，干擾非常嚴重。不能迷信國外產品或照搬其標準，應因地制宜，從設備選型、工程設計到安裝調試都要考慮現場干擾情況，特別要注意對配電器引入干擾的隔離，采用各種軟硬結合的措施協調配合，才能有效提高系統的整體抗干擾水平，增強系統的安全可靠性。`

（作者單位：山西機械高級技工學校）