冶金工业测控抗干扰问题分析

1引言

随着计算机技术的迅速发展,计算机控制系统已成为当今自动控制的主流,被越来越广泛地应用在冶金生产过程控制中,发挥了极其重要的作用。但是,由于冶金企业生产现场环境的纷繁复杂和工作条件的恶劣,对微机测控系统造成了严重的干扰。要使测控系统能稳定可靠地运行,必须从多方考虑、分析干扰产生的原因,有的放矢地加入各种抗干扰措施,提高系统的抗干扰能力。本文将从硬件和软件两方面分析抗干扰的有关问题。

2测控系统干扰的成因分析

在冶金企业生产过程控制的现场,往往有许多大功率电器设备,它们在启动和运行中将产生各种干扰噪声,此外,来自空间无线电波、雷电、高电压、大电流的电力电线等都会对测控系统产生干扰。这些干扰源形成的干扰信号往往通过一定的耦合通道对测控系统产生影响。常见的干扰耦合方式有以下几种:

(1)直接耦合这是最直接的方式,也是系统中存在最普遍的一种方式。例如:干扰信号通过电源线侵入系统。

(2)电容耦合又称电场耦合或静电耦合。是由于分布电容的存在而产生了附加的噪声电压。

(3)电磁感应耦合又称磁场耦合。大功率设备、强电流导线周围空间都会产生磁场,交变磁场会在信号回路内产生叠加噪声电压。

(4)公共阻抗耦合这是常见的耦合方式,这种形式常常发生在两个电路电流有共同通路的情况。如:两个电路的电源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。

(5)漏电耦合这种耦合是纯电阻性的,在绝缘不好时就会发生。干扰一旦产生后,若不能及时、有效地消除,微机测控系统将不能正常工作。因此,在冶金工业测控系统设计中,抗干扰能力的强弱是系统能否正常可靠运行的关键。

3系统的硬件抗干扰措施

3.1滤波技术

在信号传输中,由于各种因素的影响,在信号上往往会叠加很多干扰噪声而妨碍系统正常工作。利用电容、电感等储能元件可以抑制因负载变化而产生的噪声。图1为电感电容滤波的示意图,电感线圈可根据变压器的初级电流,在适当的绝缘磁棒上绕50～100圈即可,电容可用0.01μF/400V。因此,在硬件抗干扰技术中,合理地加入滤波器及精心设计它的参数是非常重要的。

3.2隔离技术

隔离是将电气信号转变为电、磁、光及其它物理量作为中间量,使两侧的电流回路相对隔离又能实现信号的传递,从而达到隔离现场干扰的目的。常用的隔离方式有变压器隔离、继电器隔离和光电隔离三种。

3.2.1变压器隔离脉冲变压器的初级和次级绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧,分布电容仅几pf,可作为脉冲信号的隔离器件。初级和次级绕组分别连接信号的输入和输出。

3.2.2继电器隔离利用继电器的线圈与触点之间没有电气联系的特点,在信号通道里加接继电器可实现强弱电之间的抗干扰隔离。图2采用继电器隔离,继电器把引入的信号线隔断,而传输的信号通过触点传递给后面的回路。

3.2.3光电隔离它由光电耦合器来实现的。由于光电耦合器的输入阻抗很低,输入/输出间的电容很小,绝缘电阻很大,且以光为媒介进行间接耦合,因此具有很高的电气隔离和抗干扰能力。图3采用光电耦合器隔离,中间环节借助于半导体二极管的光发射和光敏半导体三极管的光接收来进行工作,因而在电气上输入和输出是完全隔离的,信号单向传输,共模抑制比大,无触点,响应速度快。

3.3屏蔽与接地技术

屏蔽与接地是提高系统抗干扰能力,抑制噪声的重要手段。屏蔽是指用屏蔽体把通过空间与电场、磁场或电磁场的耦合通道隔离。良好的屏蔽是和接地紧密相连的。接地又分为安全接地,工作接地和屏蔽接地三类。

3.3.1安全接地设备金属外壳等的接地。它可起到安全的作用并可抑制变化电场的干扰。

3.3.2工作接地信号回路的基准电位点。它为系统的各部分提供稳定的基准电位。对这种接地的要求是尽量减少接地回路中的公共阻抗压降,以减少系统中干扰信号的公共阻抗耦合。

3.3.3屏蔽接地是指电缆、变压器等屏蔽层的接地。信号电缆屏蔽层接地:最佳选择是在信号源一侧单点接地,这样既可以抑制共模干扰,也可以抑制静电感应引起的干扰。双绞线接地:双绞线中一根为信号线,另一根为屏蔽线,它应两端接地,这样可防止电磁干扰。变压器屏蔽层接地:良好的屏蔽层接地可充分抑制静电感应和电磁感应的干扰。在微机控制系统中,通常是把数字和模拟电路的工作地浮空,而设备外壳采用屏蔽接地,这样既安全,又提高了系统的抗干扰性能。

3.4去耦电路

数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流,并在传输线和供电电源内阻上产生较大的压降,形成严重干扰。为了抑制这种干扰,在电路中要配置去耦电容,即在门电路的电源端与地线端加接电容,它一方面提供吸收该集成电路开关门瞬间的充放电能量,另一方面旁路掉该器件的高频噪声。

4系统的软件抗干扰措施

对微机测控系统的干扰,往往具有随机性且频谱范围很宽,因此,在采用硬件抗干扰措施的同时,还需加入软件抗干扰措施,以确保系统的正常运行。下面介绍几种常用的软件抗干扰技术。

4.1指令冗余技术

当CPU受到干扰后,往往将一些操作数当作指令码来执行,引起程序混乱。因此,在关键的地方人为插入一些单字节指令,或将有效单字节指令重写称为指令冗余。常用的方法有以下几种。

4.1.1在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的空操作指令。这样即使乱飞程序飞到操作数上,由于空操作指令的存在,避免了后面的指令被当作操作数执行,程序自动纳入正轨。

4.1.2在对系统流向起重要作用的指令之前插入两条空操作指令,也可将乱飞程序纳入正轨,确保这些重要指令的执行。

4.2软件陷阱技术

软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址或引向一个指定地址,在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。当弹飞的程序进入非程序区,冗余指令便无法起作用时,通过设置软件陷阱拦截弹飞的程序,将其引向指定位置,再进行出错处理。设置软件陷阱的具体做法如下。

4.2.1在程序中未使用的EPROM空间,可用数据0000020000H(即指令NOP;NOP;LJMP0000H)填满,当乱飞的程序落到此区,即可自动转入正轨。

4.2.2对未使用的中断,由于干扰而开放,在对应的中断服务程序中设置软件陷阱,能及时捕获错误的中断。

4.2.3在运行程序区,由于程序一般采用模块化设计,因此可在模块与模块之间放置软件陷阱。若正常运行,不执行陷阱指令,一旦程序乱飞入这些陷阱区,可立即让它回到正常轨道运行。例如:在加热炉温度测控系统的采样子程序中,设置如下的软件陷阱后,保证了系统的正常运行。SAMP:MOVR0,#2CHMOVR2,#03HMOVDPTR,#03F8HSAM1:MOVX@DPTR,A;启动A/D转换器工作MOVR3,#20HDLY:DJNZR3,DLY;延时HERE:JBP3.3HERE;等待A/D完成MOVXA,@DPTR;采样值送AMOV@R0,AINCR0DJNZR2,SAM1;若采样未完,则继续RET;断裂点NOP;陷阱NOPLJMPERR

4.3“看门狗”技术

当微机测控系统受到强干扰产生失控,使程序陷入一个临时构成的死循环,冗余指令和软件陷阱也无法解决时,可采用“看门狗”技术。“看门狗”技术就是不断监视循环运行时间,发现超时,则认为系统陷入死循环,系统就自动复位并从0000H地址重新启动。在冶金工业测控系统中,严重的干扰有时会破坏中断方式控制字,关闭中断。则系统无法定时“喂狗”,硬件看门狗电路失效。而软件“看门狗”可有效地解决这类问题。可以采用环形中断监视系统。用定时器T0监视定时器T1,用定时器T1监视主程序,主程序监视定时器T0。采用这种环形结构的软件“看门狗”具有良好的抗干扰性能,大大提高了系统可靠性。对于需经常使用T1定时器进行串口通讯的测控系统,则定时器T1不能进行中断,可改由串口中断进行监控。这种软件“看门狗”监视原理是:在主程序、T0中断服务程序、T1中断服务程序中各设一运行观测变量,假设为MW、T0W、T1W,主程序每循环一次,MW加1,同样T0、T1中断服务程序执行一次,T0W、T1W加1。在T0中断服务程序中通过检测T1W的变化情况判定T1运行是否正常,在T1中断服务程序中检测MW的变化情况判定主程序是否正常运行,在主程序中通过检测T0W的变化情况判别T0是否正常工作。若检测到某观测变量变化不正常,比如应当加1而未加1,则转到出错处理程序作排除故障处理。

4.4数字滤波技术

用来抑制叠加在模拟输入信号上噪声。尤其适用于硬件滤波难于消除的偶然脉冲干扰、低频干扰和周期性波动干扰的场合。

4.4.1对偶然脉冲干扰的滤波:可采用超值滤波法或中值滤波法。超值滤波法是根据经验判断确定两次采样允许的最大偏差△Y,若前后两次采样值差值大于△Y,则本次采样值视为由干扰引起的无效值,仍取上次值;若小于△Y,则本次值有效。中值滤波法是对被测参数连续采样N次(N为奇数),然后把N次采样值按大小排列,取中间值为本次采样值。

4.4.2对低频干扰的滤波:当产生低频干扰时,如果选用RC模拟滤波器滤波会导致漏电流加大,使RC网络精度降低,可使用软件数字滤波程序来完成。其计算公式如下:Yn=αXn+(1-α)Yn-1式中:Xn为n次采样时滤波器输入值;Yn,Yn-1分别为n次,n-1次采样时滤波器的输出值;α=T/(T+Tf)为滤波系数,其中T为采样周期,n次采样时滤波器输入值;Tf为滤波时间常数。α由实验确定。

4.4.3对周期性干扰的滤波常用递推平均滤波法来实现。它始终取最新的N个输入信号的平均值作为滤波器的输出,能有效地抑制周期性干扰。在加热炉温度测控系统的设计中,采用超值滤波算法有效地抑制了来自控制现场对温度采样值的干扰。相应程序如下:FILT:MOV30H,31H;当前有效值送30HACALLSAMP;本次采样值存入AMOV31H,A;暂存于31HCLRCSUBBA,30H;求两次采样差值JNCFILT1;若差值为正,则进行超限判断CPLA;若差值为负,则求绝对值INCAFILT1:ADDA,#0FDH;超限?JNCFILT2;若不超限,则本次采样有效MOV31H,30H;若超限,则上次采样值送31HFILT2:RETSAMP:采样子程序

5结束语

冶金工业微机测控系统中的干扰是一个十分复杂的问题,干扰的产生原因是多种多样的,干扰的强弱、影响的程度也是千差万别的。因此,在系统开发过程中的抗干扰设计应综合考虑各方面的因素,合理有效地抑制干扰,对有些干扰情况还需做具体分析,采取行之有效的措施,才能使测控系统稳定可靠地运行。