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1  概述

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)程度的提高，微處理器（單片機(jī)、PLC、DCS等）在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其系統(tǒng)運(yùn)行直接控制影響著工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面，其可靠性得到普遍的關(guān)注，而抗干擾性能是當(dāng)中不容忽視的重要因素。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜惡劣，干擾因素較多，對(duì)微控制器系統(tǒng)的干擾是多方面的，如何采取有效的抗干擾措施，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是一大技術(shù)要點(diǎn)。

2  干擾成因分析

    干擾又叫噪聲，是竄入或疊加在系統(tǒng)線路上和器件上，與系統(tǒng)要求無(wú)關(guān)的電信號(hào)。干擾會(huì)造成測(cè)量和控制的誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備損壞。常見(jiàn)的干擾有如下幾種：

2.1  輻射磁場(chǎng)干擾

    伴隨現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，大氣環(huán)境充斥著各式各樣的電磁信號(hào)，而雷電波、無(wú)線電廣播、電視、雷達(dá)、高壓電纜、高頻設(shè)備等產(chǎn)生的輻射能量較強(qiáng)，對(duì)設(shè)備影響較大，通常稱(chēng)為輻射干擾。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布局和所處位置的電磁場(chǎng)大小密切相關(guān)，置于強(qiáng)輻射磁場(chǎng)內(nèi)的微控制系統(tǒng)幾乎不能正常運(yùn)行。筆者曾作過(guò)以下測(cè)試：將一小型微控制器系統(tǒng)置于10W/230MHz的無(wú)線微波輻射磁場(chǎng)內(nèi)（距離發(fā)射點(diǎn)4米范圍），原采集值為2.5V的信號(hào)上升至5V，且通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以微控制器系統(tǒng)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離輻射較強(qiáng)的磁場(chǎng)環(huán)境或采取有效的屏蔽保護(hù)措施。

2.2  傳導(dǎo)耦合干擾

傳導(dǎo)干擾在我國(guó)工業(yè)環(huán)境中相當(dāng)普遍而且較為嚴(yán)重，根據(jù)傳導(dǎo)來(lái)源的不同可分為電源干擾和信號(hào)干擾兩種。

(1)  電源部分

    我國(guó)電網(wǎng)覆蓋范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)，輸電質(zhì)量不可避免受到污染，加上電網(wǎng)內(nèi)部如開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊、交直流傳動(dòng)設(shè)備等都會(huì)令供電電壓波動(dòng)較大，高頻諧波嚴(yán)重，對(duì)于隔離性能較差的變壓器、電源等，必將影響到微控制器系統(tǒng)的供電質(zhì)量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的不正常運(yùn)行。

(2)  信號(hào)部分

    在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)往往有很多信號(hào)電纜經(jīng)電纜槽溝或電纜管同時(shí)接入微控制器系統(tǒng)，這些信號(hào)電纜絞纏在一起，相互間存在一定的分布電容，信號(hào)電纜間便通過(guò)分布電容進(jìn)行相互干擾，特別是信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜混纏一起的系統(tǒng)更為嚴(yán)重，交變的動(dòng)力電纜周?chē)a(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，而這些交變的磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)并行的導(dǎo)體間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，造成線路上的干擾。另外通過(guò)共用儀表供電電源竄入的電網(wǎng)干擾和由于各儀器儀表質(zhì)量技術(shù)不一導(dǎo)致儀表間的干擾也不能忽視。

2.3  接地干擾

    微控制器系統(tǒng)的接地有供電地、保護(hù)地、邏輯地、屏蔽地等。但由于各接地要求不一或接地混亂導(dǎo)致各接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在較大的電位差，引起地環(huán)路電流和基準(zhǔn)電位不穩(wěn)定，變化的環(huán)路電流會(huì)對(duì)屏蔽層內(nèi)信號(hào)導(dǎo)線產(chǎn)生耦合干擾；而基準(zhǔn)電位的不穩(wěn)定會(huì)令微控制器系統(tǒng)邏輯系統(tǒng)混亂，數(shù)據(jù)運(yùn)算出錯(cuò)或宕機(jī)和模擬測(cè)量控制精度下降或誤動(dòng)作等情況。

3  措施和方法

    微控制器系統(tǒng)抗干擾措施可分為硬件措施和軟件措施兩種。軟件措施作為后備技術(shù)可進(jìn)一步消除進(jìn)入系統(tǒng)的干擾，但會(huì)耗費(fèi)一定的系統(tǒng)資源，影響CPU的工作效率，而事實(shí)上采取適當(dāng)?shù)挠布幚泶胧┛上^大部分的干擾，因此現(xiàn)代微控制器系統(tǒng)抗干擾措施基本上以硬件措施為主。通過(guò)上述地分析，筆者認(rèn)為系統(tǒng)的抗干擾措施應(yīng)從傳導(dǎo)、輻射、耦合、接地等方面入手，以抑制和切斷干擾源、切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道和降低對(duì)干擾信號(hào)的敏感性等為措施方法，具體的措施和方法如下：

3.1  電源部分的措施和做法

    電網(wǎng)污染在工業(yè)發(fā)展的同時(shí)日趨嚴(yán)重，污染電源在提供能源的同時(shí)亦將噪音疊加到微控制器系統(tǒng)上，因此如何抑制過(guò)濾電源噪音是系統(tǒng)抗干擾的首要條件。

    首先對(duì)系統(tǒng)供電線路進(jìn)行選擇，采用專(zhuān)線供電或設(shè)備負(fù)荷變化較少、啟停次數(shù)不多的供電電網(wǎng)，可避免電壓波動(dòng)太
大對(duì)系統(tǒng)造成的影響。在電源進(jìn)線端可適當(dāng)加裝低通濾波器，可阻止高頻噪音通過(guò)，抑制吸收大部分的高頻差模共模干擾，在低通濾波器后再設(shè)隔離變壓器，可更好地抑制隔離高頻共模干擾的引入，但要注意的是，隔離變壓器的隔離層要良好接地，而且其次級(jí)線圈最好使用雙絞線，這樣效果更為明顯。對(duì)于目前的微控制器供電，建議采用隔離性能較高的24VDC開(kāi)關(guān)電源，這樣可進(jìn)一步減少末級(jí)的共模差模干擾。而對(duì)于穩(wěn)定性能要求更高的系統(tǒng)，可采用在線式不間斷電源（UPS）供電，其具有較高的安全可靠性，具備較強(qiáng)的抗干擾隔離性能，能保證供電電源的純凈和連續(xù)。

3.2  電纜的選擇和敷設(shè)

    電纜在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用很多，安裝又分散，如果不注意規(guī)范，往往是傳導(dǎo)耦合干擾的主要途徑，因此電纜的選擇和敷設(shè)是系統(tǒng)抗干擾的關(guān)鍵。

    在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，電纜主要有動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜兩種。動(dòng)力電纜可根據(jù)負(fù)載情況適當(dāng)選擇帶鎧裝屏蔽電纜，這樣可降低動(dòng)力電纜的電磁干擾的同時(shí)亦減少電纜意外損壞。而信號(hào)電纜可根據(jù)所傳輸?shù)男盘?hào)類(lèi)型不同進(jìn)行劃分：

(1)  模擬量信號(hào)（4~20mA，0~20mA等）建議采用屏蔽雙絞線。
(2)  低電平的開(kāi)關(guān)信號(hào)（狀態(tài)干結(jié)點(diǎn)信號(hào)）、數(shù)據(jù)通信線路（RS-232、EIA485等）建議采用屏蔽雙絞線（至少雙絞線）。
(3)  高電平的開(kāi)關(guān)量輸入輸出、CATV、電話線等建議采用雙絞線。

    敷設(shè)時(shí)盡量將動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜隔離，將它們置于不同的電纜溝中或用導(dǎo)體隔離板，隔離板必須嚴(yán)格接地（放于同一電纜溝中）。對(duì)于模擬量和開(kāi)關(guān)量等不同的信號(hào)電纜應(yīng)分別放于不同的電纜管（槽）中，并使其有盡可能大的空間距離。

3.3  處理好接地系統(tǒng)

    接地作用有兩個(gè)，一個(gè)是保護(hù)人員和設(shè)備不受損壞－保護(hù)接地；另一個(gè)是抑制干擾，保障設(shè)備正常運(yùn)作－工作接地。正確良好的接地是微控制器系統(tǒng)減少干擾、抑制噪聲的重要措施。

    在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，有多種不同的接地系統(tǒng)：供電系統(tǒng)地、避雷地、微控制系統(tǒng)地等。為避免相互間造成干擾，原則上各接地系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)自分開(kāi)，但由于受現(xiàn)場(chǎng)條件所限，可適當(dāng)將供電系統(tǒng)地和微控制器系統(tǒng)地兩者共地，但要考慮以下因素：

(1)  供電系統(tǒng)地上是否干擾很大，如大電流設(shè)備啟停是否頻繁，對(duì)地產(chǎn)生的干擾是否大。
(2)  供電系統(tǒng)地的接地電阻是否足夠小，地網(wǎng)各部分間的電位差是否很小，地網(wǎng)各部分間的阻值是否很小（＜1Ω）。
(3)  微控制器系統(tǒng)的信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力是否夠大，如有無(wú)小信號(hào)（熱電偶、熱電阻等）的直接傳輸。

    而對(duì)于微控制器系統(tǒng)內(nèi)部接地則建議采用一點(diǎn)接地方式。將系統(tǒng)的模擬地、屏蔽地、邏輯地、保護(hù)地等在機(jī)柜內(nèi)分別接地并匯于一點(diǎn)，然后用較粗的導(dǎo)體將各匯地點(diǎn)連接起來(lái)，再將各機(jī)柜的匯流點(diǎn)通過(guò)絕緣的銅導(dǎo)體以輻射狀連接到公共接地點(diǎn)。

4  結(jié)語(yǔ)

    微控制器系統(tǒng)抗干擾是一個(gè)復(fù)雜的工程，問(wèn)題的解決在工業(yè)控制要求較高的今天尤顯迫切，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地運(yùn)用各種抗干擾措施，對(duì)有些干擾情況還需做具體分析、特殊處理，才能夠保證微控制器系統(tǒng)的正常運(yùn)作。