計算機控制系統干擾來源影響及抗干擾措施探究

黨 杰

（西安醫學院后勤保障處動力科，710021)

信息技術在當今社會扮演著很多的角色，不論是辦公、學習還是工程建筑，都在不同程度上引入了計算機。特別是計算機控制系統，能夠較大地提高工作效率，較好地完成各項工作。但是問題也隨之而來，由于多數情況下，計算機所處的環境相對復雜，尤其是工程作業單位，很難保證計算機系統不受到外界的干擾，從而降低了計算機控制系統的性能，影響到工作效率。本文通過研究系統干擾的來源和影響，深入分析其特點，并做好相關的抗干擾措施，為計算機控制系統的良好運行打下堅實基礎。

1 干擾的產生和影響

1.1 干擾三要素(如圖1）

干擾源：指產生干擾的元件、設備或信號。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。

耦合通道：指干擾從干擾源傳播到接受電路（即敏感器件）的通路。

干擾對象：指容易被干擾的對象。如：單片機，數字IC，弱信號放大器等。

2 干擾的來源

圖1

2.1 靜電干擾

常態下在物體表面會有大量的靜電電荷，這些電荷聚集起來就會形成一個小的靜電電場。這個電場會對一些小型的電路產生非常細微的影響，比如電位變化等。如果附近有電容存在，這個電場還會通過電容耦合產生較大的干擾。一旦靜電電荷積聚起較大的能量，甚至可以形成一次放電，它所釋放出的能量十分驚人，足夠毀壞附近的電路和元器件。實踐表明，小信號的高頻檢波二極管在這種情況下也會被擊穿。

2.2 電源干擾

電源相當于一個巨大的電能磁場，它對附近的電器造成的影響不可估量。盡管在控制系統中的電源都處在隔離狀態下，但是由于環境和工藝等多種原因，造成隔離效果并不能達到理論值，甚至與其相去甚遠。例如在線路中，分布電容的存在就很容易導致電能的泄露。這些電能會在電容附近積聚，有些則會順著線路一直前進，直到下一個電容。隨著電能的不斷累積，對控制系統和電路的干擾也就越大。

2.3 信號干擾

信號干擾實際上就是控制系統中的感性元件，在信號線上工作的時候，容易產生噪聲干擾。這是由于電流在通過感性元件的時候，產生了電磁場，它與電流本身的磁性相沖而形成的。其他的情況如空間磁暴、雷電等都會使感性元件信產生電磁干擾進行形成信號干擾。還有一種情況，就是當供電電壓出現一定幅度的波動時，會造成感性元件的識別不能，進而產生假信號干擾到系統工作。

2.4 接地干擾

由于實際施工的時候，難以做到每個設備接地點之間的電位絕對均勻，因此會在較近的幾處接地點形成一個小型的環形電路，有時在一條較長的線路上會形成若干處類似的電路。它們既會產生靜電干擾，也會產生信號干擾，直接影響到了計算機的控制系統。如果控制室的等電位接地系統沒有做好接地的工作，一旦發生較大的放電現象，或者出現磁暴和雷擊的情況，都會對現場的儀表甚至儀表箱造成損壞，嚴重影響計算機控制系統的正常工作。

2.5 干擾的影響

干擾對于計算機控制系統的損壞十分嚴重。靜電干擾和電源干擾會對附近的元器件造成較大的損壞，嚴重的話還會導致計算機的死機。信號干擾會使系統接收到的信號失真，甚至是出現錯誤的信號。這樣的話，經過系統處理所得出的輸出信號也會是錯誤的。這對于整個系統來說是不可估量的損失。

3 抗干擾措施

3.1 屏蔽

屏蔽的含義就是對干擾源進行抑制甚至隔離，盡量減低它對周圍的影響。常見的抑制干擾源的方法有兩種。

1）遠離技術，也就是隔離。將干擾源的位置設置在遠離于易受干擾的元器件的位置，這種方法是目前普遍采用的隔離手段，成本低廉且效果明顯。還要注意強電的回路線必須設置一條單獨的線路，絕對不能貪圖省事省力而與信號線混在一起，這樣會增加出現干擾信號的幾率。強度不同的信號線之間也要做好隔離措施，保證線路之間的不會出現平行走向，避免彼此的電磁互相干擾，最好將兩種線路正相交，來降低這種干擾的影響。還有就是不同的電平要按照高低區分開來，不能通過同一根電纜來進行連接，也不能接入同一個插件，避免在電路之中形成小型的回路。靜電耦合干擾是指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合，在電纜中產生了電勢，從而對周圍的電路及元器件產生了干擾。一般采取的措施就是遠離技術，將控制電纜設置在遠離電氣回路的位置，其距離不得小于導體直徑的40 倍。在這個距離下，干擾的程度明顯減弱。

2）屏蔽技術，也就是抑制。將屏蔽設備設置在干擾源的周圍，使其干擾作用大大減弱，同時將屏蔽設備接地，就可以將電源等大型電器設備產生的干擾源屏蔽掉，降低了它對附近導線和回路的干擾作用。對于耦合電路，可以同時使用同軸電纜和雙絞線的組合線路來屏蔽耦合電路的干擾。因為同軸電纜接地后，就能夠很好地屏蔽電場的耦合干擾；配合上雙絞線的磁場屏蔽作用，兩者結合能夠達到完全屏蔽電源干擾的綜合效果。還可以采用雙絞屏蔽線來阻止其干擾。采用雙絞屏蔽線的原因它兼具有雙絞線和同軸電纜兩者的優點，它不僅對電場干擾有屏蔽作用，而且也對磁場干擾有抑制作用。靜電感應干擾是指周圍電氣回路產生的磁通變化在電纜中感應出的電勢。干擾的大小取決干擾源電纜產生的磁通量的大小，控制電纜形成的閉環面積和干擾源電纜與控制電纜間的相對角度。一般采取將控制電纜與主回路電纜或其它動力電纜分離鋪設的方法，其分離距離不得低于10cm，以30cm 左右為最佳。如果分離電纜的作業比較難以實現，可以將控制電纜穿過鐵管進行鋪設，也就是通過屏蔽技術來降低干擾。

3.2 接地

在目前所采用的計算機控制系統中，大多數都是通過接地來抑制噪聲和防止干擾的。在屏蔽技術中也多次提到了接地的方法，兩者如果能夠很好地配合使用，對于降低噪聲干擾有著十分理想的效果。接地的時候要進行合理的地線配置，這樣能夠有效地避免形成地線環路，從而避免了接地干擾。接地干擾有很多種，常見的有屏蔽體接地和信號接地造成的干擾，還有對于弱電壓電流回路及任何不合理的接地所誘發的干擾，例如在一條線路上設置了兩個以上的接地點，那么鄰近的兩個接地點就會產生電位差，從而形成電勢，這樣就會對附近的線路和元器件產生干擾。對于接地干擾常見的措施就是在控制電纜的任意一點選擇一個接地點，也就是所謂的一點接地法。一點接地法可以分為兩種，串聯和并聯。兩種措施各有各的用處，要根據實際情況采用最合理的措施。如果要防止噪聲干擾，那么應當選擇并聯接地的方法，因為串聯接地的抗干擾性能不如并聯接地。還要將接地線與信號線區分開來，避免共同使用造成不必要的干擾。還要注意電纜的接地要在變頻器側進行，專門使用單獨的接地端子，避免與其它接地端子共用。接地端子的引接點電阻也要控制在合理范圍之內，以免電阻過大產生干擾。

做好接地措施也是為了有效地保證安全。整個計算機控制系統，包括機箱、機柜及其內部零件都應接地。機箱和機柜接上了可靠的地線，就相當于與大地連接起來，那么電源就變成了零電位，對于維持機器的正常運轉和保證操作人員的人身安全，有著重要的作用。內部的零件多數為金屬件，其接地是需要靠絞鏈等部件來實現的，如果接地措施不到位，那么系統運行就會受到影響，甚至會出現停機和死機的現象。還要預防內部零件的電化腐蝕，同時注意不同種類的金屬件之間出現電化電壓，降低零件的損耗。

3.3 軟件

圖2

計算機控制系統也會通過指令限制來增強系統抗干擾的功能。例如非法指令復位和非法指令中斷就是系統自身進行干擾處理的主要程序，它能夠及時阻止干擾信號進一步破壞系統設備和其他信息。舉例說明，如圖2 所示，掃描輸入可借用定時器／計數器的中斷輸出，也可以在系統設置專門掃描清“O”輸入信號。這里時鐘取自32kHz 石英晶體諧振器。4060 為14 級分頻器。它的輸出可根據不同用戶需要而設置，以該圖為例，最大范圍可在250ms 左右計滿輸出，設實際運行的用戶程序(或稱為子程序)所需工作周期為T’分頻器計滿時間設為T，T’>T。如果系統正常工作，則分頻器永無計滿輸出信號，一旦工作不正常(飛程序或鎖程序)分頻器RST 端得不到定時掃描輸入信號，則分頻器永無計滿輸出一脈沖信號復位CPU。為了高質量修復程序，可以使一個被強干擾打亂或“鎖死”的程序恢復到受干擾前正在執行的任務上，從而提高系統實時運行的可靠性。

4 結束語

計算機控制系統操作簡便且功能強大，適用于多種行業，因此無法保證現場環境不會對系統本身產生影響。特別是一些施工單位和主要控制單位，一旦出現較強的干擾將會造成重大的損失。如何避免這些環境的干擾因素破壞控制系統，提高系統的穩定性和安全性，是本文著力發掘的重點。通過研究可得出一個結論，想要提高系統的適應能力，保證其功能可以正常運轉，就要從提高系統自身的抗干擾能力，采取適當的抗干擾措施這兩方面來入手，綜合提高系統的可靠性。

[1] 姜鑰. 計算機控制系統的干擾及抗干擾措施探討 2013,(3)

[2] 李秀蘭.計算機控制系統的干擾及抗干擾問題的探討 2001,(6)