論工業設備不用單片機控制的原因

武煜康

首先說明一下，這里所指的單片機應當是指學生們剛剛制作完成的、在原理上已經沒有問題并且有簡易包裝的單片機裝置，可以稱之為初級單片機系統。

事實上，單片機控制的儀器儀表比比昏是，占有相當大的比例，連PLC內部也有單片機。不過，這里的單片機并非初級單片機系統，而是十分完善且久經考驗的工業成熟產品。

大家都知道，在工業現場中有大量的電動機。傳統的電動機控制電路采用斷路器做短路保護，用接觸器做合分切換，用熱繼電器做過載保護。由于這些傳統的元器件不能實現遠距窩傳送信息，因此用單片機來制備電動機保護裝置也就應運而生。

別看它不起眼，它可是研發人員歷經三年才研制成功的產品。開發的過程當然是很辛苦的。首先要了解電動機的電流溫度特性和機械特性，以及電動機的各種起動和運行方式，然后設計前向通道，把電動機的電流信號和電壓信號變送進來;接著設計單片機本體和外圍電

路，以及電源和人機界面等等;再接著要設計后向通道，包括執行繼電器。硬件設計完成后，配套軟件，并且在實驗室通過了試驗驗證。

是不是這樣就行了？答緊是，還早著呢！

下一步就是EMC測試了。用于工業現場的單片機系統必須要過3級EMC的測試考驗。這里的EMC就是電磁騷擾試驗。當EMC測試儀把騷擾信號加載在電源上時，有時單片機的電源系統立即就冒煙。所以，為了過EMC這一道坎，單片機的前向、后向和電源電路不知道要改多必回，等到有點結果了，時間也過了大半年。

再下一步就是老化和可靠性試驗。在這個試驗中，又要修改許多元件，修改線路，等到這一步完成，總時間也消耗掉近1年半。最后一步就是到國家重點實驗室中去做認證試驗，又叫做型式試驗。試驗依據是國家相關的標準，做一次試驗要花很多錢。試驗也不可能一次通過，發現問題回來修改電路，再自己測，然后到國家實驗室去測。直到最后通過。最可怕的就是電快速瞬變脈沖群測試。

大部分電子產品需要通過電快速瞬變脈沖群（EFT）和靜電放電（ESD）等項目的標準測試。EFT和ESD是兩種典型的突發千擾，EFT信號單脈沖的峰值電壓可高達4kV，上升沿5ns。接觸放電測試時的ESD信號的峰值電壓可高達8kV，上升時間小于1ns。這兩種突發干擾，都具有突發、高壓、寬頻等特征。

電快速瞬變脈沖群是由電感性負載（如繼電器、接觸器產生的傳導干擾、高壓開關切換產生的輻射干擾等）在斷開時，由于開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處產生的暫態騷擾。當電感性負載多次重復開關，則脈沖群又會以相應的時間間隙多次重復出

現。這種暫態騷擾能量較小，一般不會引起設備的損壞，但由于其頻譜分布較寬，所以會對電子、電氣設備的可靠工作產生影響。電快速速變脈沖群試驗的目的就是為了檢驗電子、電氣設備在遭受這類暫態騷擾影響時能。重復快速瞬變試驗是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設備的電源端口、信號和控制端口的試驗。試驗的要點是瞬變的短上升時間、重復率和低能量。

這種試驗是一種耦合到電源線路、控制線路、信號線路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗。此波形不是感性負載斷開的實際波形（感性負載斷開時產生的干擾幅度是遞增的），而實驗所采用的波形使實驗等級更為嚴酷。電快速脈沖群是由間隔為300ms的連續脈沖串構成，每一個脈沖串持續15ms，由數個無極性的單個脈沖波形組成，單個脈沖的上升沿5ns，持續時間50ns，重復頻率2.5KHz（對4kV測試等級）或5KHz（對其他等級）。根據傅立葉變換，它的頻譜是從5K--100M的離散譜線，每根譜線的距離是脈沖的重復頻率。對電源端子選擇耦合/去耦網絡施加干擾，耦合電容為33nF。對I/0信號、數據和控制端選擇專用容性耦合夾施加干擾，等效藕合電容約為50-200pF。

因此能在5次以內的往返測試修改后通過，真要燒高香了。等到這最后一步通過，總研發時間一般要兩年。

但型式試驗通過并不代表就能用在現場。于是要找一家單位，交了一定的費用，然后把電動機保護器裝到現場，進行現場測試。試驗結果往往又需要改進，于是一切又從新開始。等到一款電動機保護裝置真正能用在現場并形成產品，所花的人力和物力很高，費用也很高。

由此可見，在工業現場直接用單片機構成測空裝置，它的可靠性、穩定性和可用性都是問題。因此在工業現場，一般都用PLC做測控，而不直接使用單片機。

PLC分許多檔次。低檔的PLC可靠性較高，但速度慢，功能也很有限;高檔的PLC除了速度快以外，它的可靠性和穩定性都很好，甚至能用于發電機的轉速控制。要知道，發電機的轉子轉速可是高達每分鐘數千轉。并且PLC還能實現雙CPU的冗余控制，備用CPU能無縫地切換控制。

下圖是ABB的AC800M系列PLC和AC500系列PLC：

其實，單片機在工業現場大量出現在電力儀表中，例如數字電流表、數字電壓表和多功能電力儀表等等。下圖是安科瑞的多功能電力儀表：

由此可見，自制的單片機裝置用在測量回路還是可以的，但用在測控就不合適了，畢竟測控對可靠性的要求更高。