计算机控制可靠性技术

第8章计算机控制可靠性技术 计算机控制系统置于生产现场 与它相连的被控对象往往延伸到很多地方 这就使得生产现场各种强烈的干扰源 从不同渠道向计算机控制系统袭来 所谓干扰 就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素 例如 大型设备的启停 空间电磁场噪音 高压设备和开关的电磁辐射 电网的波动等都会影响计算机控制系统的可靠性和稳定性 轻则造成经济损失 重则危及人们的生命安全 干扰是客观存在的 研究干扰的目的是抑制干扰进入计算机 为了提高系统的抗干扰能力 必须分析干扰的来源 针对不同的干扰源 采用不同的抑制干扰或消除干扰的措施 做到 对症下药 8 1干扰的来源对于计算机控制系统来说 于扰的来源是多方面的 有时甚至是错综复杂的 干扰可来源于内部 也可来源于外部 内部干扰是由系统结构 制造工艺等所决定的 外部干扰是由外界环境因素决定的 与系统结构无关 干扰窜入计算机系统的途径如图8 1所示 其中虚线代表窜入的干扰 A类指空间感应 B类指过程通道窜入的干扰 C类指电源系统窜入的干扰 D类指地电位波动窜入的干扰 E类指长线传输干扰 8 1 1空间感应的干扰空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的传播 例如 输电线和电气设备发出的电磁场 通信广播发射的无线电波 太阳或其它天体辐射出来的电磁波 空中雷电 火花放电 弧光放电 辉光放电等放电现象等 8 1 2过程通道的干扰过程通道的干扰常常沿着过程通道进入计算机 主要原因是过程通道与主机之间存在公共地线 要设法削弱和斩断那些来自公共地线的干扰 以提高过程通道的抗干扰能力 按干扰的作用方式 一般可分为串模干扰和共模干扰 1 串模干扰串模干扰是指串联于信号源回路之中的干扰 产生串联干扰的原因有分布电容的静电耦合 长线传输的互感 空间电磁场引起的磁场耦合 以及50HZ的工频干扰等 其表现形式如图8 2 a 所示 其中Vs为信号源 VN为叠加在VS上的串联干扰 干扰可能来自信号源内部 也可能来自邻近的导线 干扰线 见图8 2 b 如果邻近的导线 干扰线 中有交变电流Ia流过 那么由Ia产生的电磁干扰信号就会通过分布电容C1和C2的耦合 引入A D转换器的输入端 因为 所以 8 1 8 2 式中Zs 信号源内阻和输入阻抗 Zr 放大器输入阻抗 显然 Zs越小 Zr越大 则越有利于提高共模干扰的能力 图8 3 b 中 当放大器为双端输入时 共模电压Vc引入放大器输入端的串模干扰电压Vn 为 因为 所以 8 3 8 4 式中ZC1和ZC2 放大器输入端的输入阻抗 Zs1和Zs2 信号源内阻和输入阻抗 由式 8 4 可以看出 为了提高共模干扰的能力 必须做到 1 信号引入线要尽量短 2 尽量减少 Zs2 Zs1 3 尽量增大Zc1和Zc2 4 尽量减小Vc 为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力 常用共模抑制比CMRR来表示 其定义如下 式中 Vc是共模干扰电压 Vn是由Vc转化成的串模干扰电压 显然 单端输入方式的CMRR较小 说明它的抗共模干扰能力较差 而双端输入方式 由VC引入的串模干扰电压Vn较小 CMRR较大 所以抗共模干扰能力很强 8 1 3电源系统的干扰控制用计算机一般由交流电网供电 220VAC 50Hz 电网的冲击 频率的波动将导致稳压电源的波动 造成干扰 直接影响计算机系统的可靠性与稳定性 8 1 4地电位波动的干扰计算机控制系统分散的很广 地线与地线之间存在一定的电位差 计算机交流供电电源的地电位很不稳定 在交流地上任意两点之间 往往很容易就有几伏至十几伏的电位差存在 8 1 5长线传输的干扰计算机控制系统是一个庞大系统 从生产现场到计算机的连线 又从计算机到生产现场的连线 往往长达几十米 甚至数百米 连线的 长 是相对的 完全取决于计算机高速集成电路的运算速度 例如 对于毫微秒级的数字电路来说 lm左右的连线应当当作长线来看待 而对于十毫微秒级的电路 几米长的连线才需要当作长线处理 当高速变化的信号在长线中传输时 由于传输线的分布电容和分布电感的影响 信号会在传输线内产生正向前进的电压波和电流波 另外 如果传输线的终端阻抗与传输线的波阻抗不匹配 那么当人射波到达终端时 便会引起反射 同样 反射波到达传输线始端时 如果始端阻抗也不匹配 也会引起新的反射 这种信号的多次反射现象 使信号波形严重地畸变 并已引起干扰脉冲 长线传输的信号易受到外界干扰 对信号延时 这些都是不利因素 8 2计算机控制系统硬件抗干扰技术干扰是客观存在的 研究干扰的目的是抑制干扰进入计算机 因此 在进行系统设计时 必须采取各种预防措施 否则 系统不可能正常工作 这个问题容易被忽视 在实际现场中使系统招致失败 对此 应给予足够的重视 在实际系统中 干扰窜入的途径主要有以下四种 1 静电耦合 是一种通过两金属导体之间分布电容产生的电场耦合 2 磁场耦合 是两个载流导体的分布电容产生的电场耦合 3 公共阻抗耦合 是在两个电路的电流流经一个公共阻抗时 一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路 包括公共电源线的阻抗耦合和公共地线的阻抗耦合 4 其它干扰途径 例如 脉冲数字电路的脉冲反射 电极的麦克风干扰效应 热电势 线路中各元器件的物理噪声干扰等 解决干扰问题的途径有 1 平衡方法 2 隔离方法 3 滤波方法 包括硬件滤波和软件滤波 4 屏蔽方法 5 接地方法 6 消除噪声源方法 7 电缆选择方法 下面 就常用的几种硬件抗干扰技术加以讨论 电源系统的抗干扰技术和接地技术将在第四节讨论 8 2 1串模干扰的抑制对串模于扰的抑制较为困难 因为干扰Vn直接与信号Vs串联 它们在回路中所处的地位相同 只能根据两者的不同特性来区别对待 对不同情况采取相应措施 消除串模干扰的措施有以下几种 l 采用双绞线作信号引线串模干扰主要来源于空间电磁场于扰 采用双绞线作信号线的目的是减少空间电磁场对线路的感应平面面积以及维持双线的电场强度接近 并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消 用这种方法可使干扰抑制比达到几十分贝 其效果见表8 l 为了从根本上消除产生串模干扰的原因 一方面对测量仪表进行良好的电磁屏蔽 另一方面应选用带有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号线 并应有良好的接地 这种方法适合于串模干扰信号是缓慢变化信号时的情况 2 采用输入滤波器采用输入滤波器抑制串模干扰无疑是最常用的方法 根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性 决定选用具有低通 高通 带通等传递特性的滤波器 在生产过程的被控对象中 串模干扰都比被测信号变化快 故常用二级无源阻容低通滤波器 如图8 4所示 这一网络可使50HZ的干扰信号衰减600倍左右 时间常数小于200ms 当被测信号变化加快时 必须修改网络的参数值 一般采用电阻R 电容动电感L等无源元件构成无源滤波器 其缺点是信号有很大的衰减 为了把增益和频率特性结合起来 可以采用以反馈放大器为基础的有源滤波器 如图8 5所示 这对于小信号尤其重要 它的缺点是线路复杂 8 2 2共模干扰的抑制共模于扰产生的主要原因是不同 地 之间存在共模电压 以及模拟信号系统对地的漏阻抗 因此 共模干扰的抑制措施主要有以下三种 光电隔离 变压器隔离 浮地屏蔽 1 光电隔离光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的 图8 6是一种 光电耦合的开关量输入电路 当现场开关K闭合时 给发光M极管 3EDK62 的输入端加上输入信号 发光管被点亮 此时 光敏三极管受光照射后导通 从而使三极管 3DKZB 导通 输出为高电平 当现场开关K打开时 发光M极管不亮 光敏三极管截止 因而三极管截止 输出为低电平 光敏三极管的集电极和发射极分别是光电耦合器的输出端 信号的传输是靠发光二极管在信号电源的控制下发光 传送给光敏三极管来完成的 光电耦合器有以下几个特点 这是光电耦合器能够抑制共模干扰的原因所在 1 使得输入 输出在电气上完全隔离 2 靠光传送信号 切断了各部件电路之间地线的联系 因而共模抑制比相当高 3 发光二极管动态电阻非常小 而干扰源的内阻一般很大 能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号就变得很小 4 它的传送比一般很小 远不如晶体管的放大倍数大 因而对干扰信号不那么灵敏 即使是干扰信号电压幅值较高 由于没有足够的能量 仍不能使发光二极管发光 从而有效地抑制掉干扰信号 由于光电耦合器具有上述种种特点 因而在计算机控制系统中光电隔离技术得到广泛的应用 图8 7是一个光电隔离的示意图 在图8 7中 模拟信号VS经放大后 利用双绞线来消除串模于扰 再利用光电耦合器直接对模拟信号进行光电耦合传送 值得注意的是 隔离前后两部分电路应分别采用两组独立的电源 被传送信号的变化范围始终要在光电耦合器的线性区域内 必要时采取相应的非线性校正措施 否则会产生较大的误差 2 变压器隔离图8 8是变压器隔离的示意图 在图中 被测信号VS经放大后 通过调制器转换成交 流信号 再经隔离变压器B传输到副边 然后用解调器再将它转换为直流信号Vs2 再对Vs2进行A D变换 其数字信号送入计算机 变压器隔离技术能够抑制共模干扰的原因在于 变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来 即把模拟地和数字地断绝开来 隔离前和隔离后分别采用的是两组互相独立的电源 使共模干扰电压Vc构不成回路 从而抑制了共模干扰 3 双层浮地屏蔽为了使共模电压Vc的影响减到最低程度 一般都采用浮地输入双层屏蔽放大器三线采样方式 如图8 9 a 所示 这种方式之所以能够抑制共模干扰 其实质在于提高了共模输入阻抗 减少了共模电压在输入回路中引起的共模电流 从而增强了抗干扰能力 其等效电路如图8 9 b 所示 图中 Zc1 Zc2为放大器输入级对内屏蔽层的漏阻抗 Zs1 Zs2为内屏蔽层与外屏蔽层之间的漏阻抗 Zs1 Zs2为信号源内阻和线路阻抗 Zs3为信号线的屏蔽层电阻 设计时要考虑使Zc1 Zc2 Zc3的值达到几十兆欧以上 这样才能使模拟地和数字地之间的共模电压VC不会直接引入放大器 下面通过分析 说明双层浮地屏蔽是怎样抑制放大器两输入端的共模干扰的 1 共模干扰电压Vc在Zs3回路产生共模电流I3 由于Zc3大 Zs3小 因而I3在Zs3上的压降Vs3也很小 即 可把Vn1看成是一个已受到抑制的新的共模干扰电压 2 Vn1分别在Zs1 Zc1和Zs2 Zc2形成的回路中产生共模电流I1 I2 并在Zs1和Zs2上产生较小的干扰电压Vs1和Vs2 即 3 这时放大器两个输入所承受的共模电压的影响为 8 2 3长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制方法主要有 1 阻抗匹配 主要有四种方法 2 隔离技术 数字隔离技术 光电隔离 和模拟隔离技术 隔离放大器 3 合理布线 波反射是长线传输的主要干扰 消除波反射或把它抑制到最低限度 一般采用始端阻抗匹配 终端阻抗匹配 终端隔直波阻抗匹配 终端钳位二极管匹配的方法 1 始端匹配无论是终端匹配还是始端匹配 都必须事先知道传输线的波阻抗Rp 图8 l0是测量传输线波阻抗的原理图 用示波器观察门A的波形 调节可变电阻R 当门A输出的波形不再畸变 说明已达到完全匹配 反射波完全消失 即R Rp 这时的R值就是湖输线的波阻抗 在计算机控制系统中 常常采用同轴电缆或双绞线作为信号线来抑制外界的干扰 同轴电缆的波阻抗大约在50 100双绞线的波阻抗大约在100 2000 绞花愈密 波阻抗愈低 在传输线始端串人电阻R 如图8 11所示 如果传输线的波阻抗是Rp 那么当R Rp时 便实现了终端匹配 基本上消除了波反射 考虑到门A输出低电平时的输出阻抗Rsc 一般选择始端匹配电阻R为 8 4计算机控制系统接地技术和电源保护技术8 4 1计算机控制系统的接地技术1 接地的目的 A 抑制干扰B 保护计算机 电气设备和操作人员的安全2 控制系统中应该遵循的接地处理原则 1 AD转换器的模拟地一般采用浮空接地方式 2 数字地和模拟地分开 3 屏蔽层单点接地 4 低频电路中单点接