在工业现场应用环境中,有很多有用信号之外的噪声造成电子设备不能正常工作,这些噪声就是干扰信号,工业现场环境中,如果不对干扰加以抑制,将会影响到控制系统的可靠性以及稳定性。抗干扰方法有硬件方法,软件方法以及软硬件结合的方法,一般来说,硬件设计恰当的话,可以将大多数干扰拒之门外,但是硬件会增加系统整体费用,软件抗干扰一般作为第二道防线,但是软件会增加CPU开销,降低系统工作效率以及实时性,一般多采用软硬件结合的方法来解决干扰问题。

干扰源一般分为外部干扰和内部干扰,外部干扰一般由外界环境因素决定,主要是空间电磁影响,与系统结构无关。外部干扰一般有输电线以及电气设备的电磁场,太阳及其他天体的辐射,通信广播的无线电波以及气候变化造成的干扰。内部干扰则由系统结构和制造工艺决定,主要是分布电感,分布电容引发的耦合感应,多点接地造成的电位差,长线传输的波反射,元器件的噪声等,在此我们讨论几种常见干扰以及对其的抑制:共模干扰,串模干扰和长线传输干扰。(在此我们在介绍相应的抑制干扰措施的时候,会将深圳市鼎信鸿达科技有限公司的N-108型485转换器作为案例,提示该产品提供的各项功能起到的相应作用)。

共模干扰:控制系统中由于各种设备分散在现场各个地方,且通过导线将各个设备通信接口连接起来,由于相隔的距离可能达到数百米,使得各个设备之间的“地”存在一定的电位差,这样就对放大器形成的干扰就称之为共模干扰,也称共态干扰或纵向干扰。共模干扰可以是交流电压,也可以是直流电压,其幅度最大可以达到几伏甚至更高,取决于现场产生干扰的环境条件和各种设备的接地情况。综上所述,共模干扰的形成是不同“地”之间存在共模电压以及模拟信号系统对地的漏阻抗,抑制共模干扰的方法就有如下几种:

1.变压器隔离,采用变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔离,将他们的“地”断开,是共模干扰电压不构成回路,从而抑制共模干扰,采用两组相互独立的电源,切断之间的地线联系。(N-108型485转换器的电源隔离)2.光电隔离,光电耦合器发光二极管与光敏三极管封装在一起,发光二极管在信号电压的控制下发光,光敏三极管的集成电极和发射极在光信号的控制下输出对应的信号电压,从而使得信号线之间无导线连接,就不存在电位差的问题(其中N-108的光电隔离就是属于此类抗干扰措施)。3.采用仪表放大器提高共模抑制比,仪表放大器是专门用来分离共模干扰与有用信号的器件,具有共模抑制能力强,输入阻抗高,增益可调,漂移低的特点。4.浮地屏蔽,利用屏蔽方法是输入信号的模拟“地”浮空。

串模干扰:串模干扰又称之为差模干扰,差模干扰指的是作用于信号两极间的干扰电压,也就是串联与信号源回路中的干扰,又称正态干扰或横向干扰,串模干扰产生的原因有:长线传输的互感,分布电容的静电耦合,50Hz工频干扰以及空间电磁场引起的磁场耦合等因素。由于串模干扰与正常信号在回路中所处地位相同,总是以两者叠加之和的形式作为输入信号,只能从干扰信号的来源和特性入手,抑制串模干扰的措施有如下几种:

1.滤波,采用各种滤波器来抑制串模干扰,依据干扰的频率与被测信号的分布特性,采用高通,低通,带通等传递特性的滤波器。2.采用双绞线作为信号引线,主要用于消除空间电磁场干扰的串模干扰,采用双绞线可以减少嗲磁干扰,使各个小环路的感应电势互相呈现反向抵消。3.采用双积分A/D转换器,该类转换器对输入信号的平均值而不是对其瞬间值进行转换,使得其对尖峰干扰具有抑制能力。4.前置放大,对来自电磁感应的串模干扰尽可能的前置放大,提高回路中的信噪比(比如在RS-485总线中采用485中继器放大信号),另外还有采用模/数转换以及隔离屏蔽等措施,对于元器件内部热扰动以及数字信号在传送过程中夹带的低噪声或窄脉冲干扰,可选择逻辑器件入手。在此就不一一赘述。

长线传输干扰:控制系统信号传输从现场的传感器等设备到监控中心,信号传输的导线可能会达到数百米甚至上千米,信号在长线传输中碰到三个问题:1.长线传输易受外界干扰。2.信号延时。3.高速变化的信号在长线传输时会有波反射现象。(波反射详见附录I)。针对长线传输干扰采取的措施如下几种:

1.选择良好的信号线,在经济适用的情况下,采用优质线材,选择带有屏蔽层电缆。2.合理布线,模拟信号线与数字信号线不混用同一股电缆,更加避免信号线与电缆线合用同一股电缆。3.屏蔽层单点可靠接地,避免多点接地。4.信号线尽量远离干扰源,避免敷设在大型电气设备附近。5.针对波反射问题,采用终端阻抗匹配以及始端阻抗匹配(比如RS-485总线采用120欧姆电阻匹配阻抗,保证通信稳定性)

附录I  波反射:信号在长线传输时,由于传输线的分布电容以及分布电感的影响,信号会在传输线内部产生正向前进的电压波以及电流波,称之为入射波,当终端阻抗与传输线的阻抗不匹配的时候,入射波到达终端便会引起反射,同样的道理,当反射波回传至传输线始端时,阻抗也不匹配,又会引起新的反射,从而导致多次反射现象使得信号波形严重畸变,引起干扰脉冲)

 

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