冶金儀表的干擾分析與抗干擾系統(tǒng)設(shè)計

作者 / 鄭梅，山東省冶金設(shè)計院股份有限公司

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冶金儀表的干擾分析與抗干擾系統(tǒng)設(shè)計

作者 / 鄭梅，山東省冶金設(shè)計院股份有限公司

儀器儀表的穩(wěn)定與可靠是冶金行業(yè)的重要基礎(chǔ)，直接影響整個系統(tǒng)工程的穩(wěn)定性、準確度與經(jīng)濟收益。本文重點分析了冶金行業(yè)中各類干擾對于儀表的錯誤輸出，影響了過程控制的精度，使得生產(chǎn)工藝存在不穩(wěn)定因素。并且針對冶金行業(yè)儀器儀表中常見的干擾問題，在軟件與硬件方面分別設(shè)計了抗干擾措施，減少對儀器儀表的精確度及穩(wěn)定性的干擾。

抗干擾；儀器儀表；微處理器；電路板

引言

大多數(shù)應(yīng)用到冶金行業(yè)中的儀器儀表在設(shè)計之初就已經(jīng)考慮到了抗干擾的問題，在一定意義上來說，穩(wěn)定性是需要硬件與軟件的共同配合才能完成的。分析誤差的來源可以使測量誤差減小、測量數(shù)據(jù)更加精確。但在測量的過程中，很多的元素都會使得測量的誤差累積。但我們分析測量誤差只需要研究引起誤差的重要因素，其他不重要的因素無需個個都去分析，否則必然是事倍功辦的。本文以冶金行業(yè)的儀器儀表為例，在硬件與軟件上分別進行抗干擾的分析與設(shè)計。

1. 干擾類型

■1.1 電磁感應(yīng)干擾

在電感和變壓器周邊的電路，都可以看成是一個變壓器的感應(yīng)線圈，當電感和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線穿過某個電路時，此電路作為變壓器的“次級線圈”就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個電路看做是變壓器的“初級線圈”，而另一個回路可以看成是變壓器的“次級線圈”，因此兩個相鄰回路同樣產(chǎn)生電磁感應(yīng)，即相互影響干擾。在電路中由于信號傳輸回路引起的正態(tài)干擾電壓，可以由以下的公式計算得出：

式中，E是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電壓大小；Φi是第i個電流回路中的磁通量的大小；Mi是電流回路與整體信號回路的互感系數(shù)；I為第i個電流回路中的電流大小。

■1.2 靜電感應(yīng)干擾

電路元器件上的電荷不斷積累，形成高壓電后再進行放電的電擊現(xiàn)象我們稱為靜電感應(yīng)干擾。相較于前文所提的電磁感應(yīng)干擾，此類干擾的后果更為嚴重，不僅會影響到獲得參數(shù)的準確性，而且有可能對電路造成永久性的損傷，但是這類干擾并不是持續(xù)的。

■1.3 設(shè)備測量誤差

標準器件誤差、裝備誤差和附件誤差等都屬于測量設(shè)備誤差。標準電阻、標準量塊和標準砝碼等本身存在的誤差會在實際使用的過程中被重復計算，導致最終數(shù)據(jù)與標明的參數(shù)有差距。每一個測量的器件都需要一個基準器件與其對比，對比的誤差會直觀的顯示在比較結(jié)果中，使得測量誤差增加。為了使該誤差減小，可以在選擇基準器件的時候盡可能的選擇誤差較小的器件。基本要求器件的誤差是在整體誤差的1/10至1/3之間。

2. 干擾源及其特性

（1）開關(guān)電源：在打開或者關(guān)閉開關(guān)電源的時候，電流的變化速率極高會導致開關(guān)連接處的氣隙被擊穿，因此會產(chǎn)生很寬的擾動脈沖，如果開關(guān)數(shù)量較多并且工作頻率更換較快的話，就會產(chǎn)生不間斷的干擾誤差。（2）電源線的干擾：當電源線與信號線平行鋪設(shè)時，信號線會產(chǎn)生相對頻率的干擾波。（3）可控硅裝置：可控硅裝置不但會影響電源波的波形，同時還會產(chǎn)生平諧波對數(shù)據(jù)進行干擾。

3. 硬件抗干擾措施

■3.1 電氣配置

（1）當工藝要求達到額定標準的情況下，盡可能的減少各種可能影響系統(tǒng)的干擾源集中配置，這樣可以有效的減小干擾范圍。（2）所有的電纜電線都良好的接地或者配置與金屬匯線橋架內(nèi)，相互之間盡可能減小分布電容電阻等的元器件，降低外部的靜電感應(yīng)干擾。如果必須將動力電纜線與儀表信號線何用統(tǒng)一匯線橋架內(nèi)，可以通過屏蔽隔板的方法將其分開（見表1），其分隔開后的實驗數(shù)據(jù)。

表1 設(shè)屏蔽板的效果

■3.2 信號傳輸設(shè)置與干擾源分離

在冶金工業(yè)設(shè)計中，只要滿足工藝的精度要求，儀表的信號傳輸導線應(yīng)該盡可能的遠離干擾源，或者選用不同的路徑進行鋪設(shè)。若實在沒有辦法避免時，只能選擇平行鋪設(shè)，但是對于平行距離的要求還是要把握好的。對于線路長，電流強度弱的電信號傳輸導線，特別要防止此類影響，當電壓在220V的情況下，五十安培電流最小的距離至少要為460毫米才不會影響數(shù)據(jù)的正常傳輸，表2最其最小間距。

表2 信號系統(tǒng)和電力線間隔距離

■3.3 信號傳輸線的選擇

在冶金工業(yè)設(shè)計中，信號傳輸導線的選擇應(yīng)該是極為慎重的。采用屏蔽線纜的編織網(wǎng)覆蓋率達到百分之八十以上，可以將靜電感應(yīng)干擾降低90%。但是屏蔽線纜所產(chǎn)生的感應(yīng)干擾確是沒有靜電感應(yīng)那般容易處理的。在信號傳輸導線的外層，可以套上金屬保護管，可以有效的降低電磁感應(yīng)的干擾。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)分析，并不是選擇管壁越厚的金屬保護管對于電磁感應(yīng)的干擾衰變就越厲害的。筆者認為，只要強度滿足工業(yè)要求，應(yīng)該盡可能的選擇薄的金屬保護管。

4. 軟件抗干擾措施

如今被各大企業(yè)廣泛使用的冶金儀器儀表大多是基于微處理器的，因此在軟件中消除干擾相對于硬件來說要容易的多，并且消耗的成本也更低一些。MCU內(nèi)部程序被干擾最嚴重的是EPROM程序空間，在干擾嚴重的情況下甚至能看到數(shù)據(jù)的指針的失控，導致程序無法按順序執(zhí)行。這樣指針隨意指向的情況，會導致不可預料的麻煩出現(xiàn)，這對于自動控制系統(tǒng)來說是致命的。在程序中指定跳轉(zhuǎn)指令，將IP地址指向某個安全的位置，若指針指向不確定位置時，配置系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)至程序初始化位置。或者在寫片內(nèi)ROM時，寫入跳轉(zhuǎn)指令的二進制代碼，再寫EPROM程序是常用的方法，也是最實用的方法。

5. 應(yīng)用舉例

提出一種基于微粒群優(yōu)化的冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信仿真系統(tǒng)如圖1所示，該種系統(tǒng)下的冶金控儀表數(shù)據(jù)通信效率以及抗干擾性能都優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價值。通過實驗驗證了系統(tǒng)的有效性，實驗數(shù)據(jù)來自于某冶金測控儀表數(shù)據(jù)庫，采集其中的1000個樣本數(shù)據(jù)，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)對該實驗樣本數(shù)據(jù)進行分析。兩種系統(tǒng)下儀表的數(shù)據(jù)通信效率以及系統(tǒng)在不同環(huán)境下的平均數(shù)據(jù)通信誤差率分別如圖2、圖3示。

圖1 冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 兩種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信效率對比

圖3 兩種系統(tǒng)在不同環(huán)境下的誤差率對比

分析圖2得本文系統(tǒng)下的儀表數(shù)據(jù)通信效率高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，并且本文系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)通信效率具有平穩(wěn)性，傳統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信效率隨著樣本數(shù)量的增加出現(xiàn)明顯的波動，說明本文系統(tǒng)具有較強的魯棒性。從圖3的結(jié)果能夠看出，在不同干擾環(huán)境下本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信效率優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，并且在干擾或惡劣的冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信中，本文系統(tǒng)下的數(shù)及通信效率呈現(xiàn)顯著的優(yōu)越性，說明相比傳統(tǒng)系統(tǒng)本文系統(tǒng)具有較強的抗干擾性能，能夠確保數(shù)據(jù)的準確通信，具有重要的應(yīng)用價值。

表3 測試結(jié)果

為了進一步驗證本文系統(tǒng)的優(yōu)越性，統(tǒng)計實驗過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取的結(jié)果如表3所示。

6. 結(jié)語

冶金工廠規(guī)模的不斷擴大，儀器儀表等的弱電設(shè)備更是被廣泛使用。不論是數(shù)字式儀器儀表還是模擬式儀器儀表，若是忽略了干擾問題，將在實際的使用過程中，帶來極大的麻煩，因此無論如何都要在設(shè)計中重視抗干擾問題。本文提出的基于微粒群優(yōu)化的冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信仿真系統(tǒng)，該種系統(tǒng)下的冶金測控儀表數(shù)據(jù)通信效率以及抗干擾性能都優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價值。

＊ ［1］劉永松.數(shù)字調(diào)幅式電感測微儀系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學.2009

＊ ［2］張娟.動態(tài)測量系統(tǒng)可靠性分析及不確定度研究［D］.西安石油大學.2011