第八章 计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术

第八章计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术微型计算机控制技术本章要点：干扰源与抗干扰耦合方式空间抗干扰措施过程通道的抗干扰措施系统供电与接地的抗干扰措施采用监控定时器的Watchdog的抗干扰措施提高计算机控制系统的可靠性措施微型计算机控制技术所谓干扰，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。抗干扰的方法有硬件措施、软件措施，还有软硬件结合的措施。微型计算机控制技术8.1干扰源与抗干扰耦合方式系统的各个装置己经小型化、集成化、数字化，然而在极小的空间内却容纳并处理着大量的信息，同时系统还要实施各种控制。其结果是抵御干扰的能力自然会有所下降。另外，系统采用大量的低电平信号电路，致使干扰的作用更加明显。微型计算机控制技术8.1.1干扰来源干扰来源外部干扰内部干扰与系统结构无关，由外界环境因素决定的干扰由系统结构、制造工艺等决定的电源干扰空间干扰设备干扰微型计算机控制技术8.1.1干扰来源1.电源干扰电源干扰是指来自供电电源的干扰，主要有：浪涌、尖峰、噪声和断电。◆浪涌:大功率设备感性负载设备的启动或停止造成浪涌。◆尖峰:大功率开关的通断，使电网上出现尖峰脉冲。◆噪声:噪声随供电电源侵入系统。◆断电:断电、电网调度高压切换中的瞬间断电。微型计算机控制技术8.1.1干扰来源2.空间干扰◆静电和电场的干扰系统的部分设备产生静电，或部分设备在某个电场之中。◆磁场干扰系统设备与某些能够产生磁场的电气设备构成电磁感应。◆电磁辐射干扰通信发射台；可控硅逆变电源、变频调速装置等发出的电磁波干扰。微型计算机控制技术8.1.1干扰来源3.设备干扰设备干扰是指设备内部或设备之间产生的干扰。以上三种干扰，来自交流电源的干扰最为严重，其次为设备干扰，特别是来自通道的干扰，再其次为来自空间的辐射干扰。微型计算机控制技术8.1.2干扰信号的耦合方式干扰信号进入到计算机测控系统中的主要耦合方式分为四种：静电耦合方式电磁耦合方式共阻抗耦合方式电磁场辐射耦合方式。微型计算机控制技术8.1.2干扰信号的耦合方式1.静电耦合方式当二根导线平行地放置至一定距离时，该二根导线之间的电容就构成了它们相互间的电容性耦合。两根导线之间的电容性耦合导线之间电容性耦合等效电路微型计算机控制技术8.1.2干扰信号的耦合方式2.电磁耦合方式在设备内部，线圈或变压器的漏磁就是一个很大的干扰源；在设备外部，当二根导线在较长的距离内敷设或架设时，将会产生电磁耦合干扰。两个电路之间的电磁耦合电磁耦合等效电路微型计算机控制技术8.1.2干扰信号的耦合方式3.共阻抗耦合方式当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所产生的电压降会影响到另一个电路，该种耦合方式称作公共阻抗耦合，其原理如图所示。公共阻抗耦合原理图微型计算机控制技术8.1.2干扰信号的耦合方式4.电磁场辐射耦合方式处于电磁波中的导体，将因受到电磁波的作用而感应出相应频率的电动势。微型计算机控制技术8.2空间抗干扰的措施空间感应包括静电场、高频电磁场以及磁场引起的干扰，主要的方法解决：◆空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源（如大型动力设备及大变压器等）。◆屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层，注意屏蔽层不能随意接地，必要时屏蔽层外还要有绝缘层。◆电气布线：合理的选择信号线，并在实际施工中正确的敷设信号线来抑制干扰。微型计算机控制技术8.2.1屏蔽技术屏蔽主要用来解决电磁干扰，将电力线或磁力线的影响限定在某个范围之内或阻止他们进入某个范围。通常可分为：◆低频磁场屏蔽◆电磁屏蔽◆双层屏蔽◆电场屏蔽微型计算机控制技术8.2.1屏蔽技术屏蔽技术实现的关键是如何保证屏蔽体的完整性，使其电磁泄漏奖低到最小程度。通常采取以下措施◆屏蔽壳体接缝上的永久性缝隙一般采用氩弧焊密封焊接。◆机壳的通风孔一般采用穿孔金属板或者金属丝网覆盖。◆必须对传输线进行屏蔽，其屏蔽外皮必须伸入到外壳或链接器内部。◆元件的安装孔，需要通过导电衬垫与外壳连接。微型计算机控制技术8.2.2电气布线技术系统布线设计的关键是进行正确电缆选型、敷设、抑制干扰和降低成本。1、常用的线缆类型▲双绞线▲屏蔽电缆▲同轴电缆2、电缆的选择与敷设微型计算机控制技术8.3过程通道的抗干扰措施强烈的干扰往往沿着过程通道进入计算机，其主要原因是过程通道与计算机之间存在公共地线，而且首当其冲是A心和各种输入装置。所以要求这些设备有很强的抗干扰能力，而且要设法削弱来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰性能。干扰的作用方式，一般可分为串模干扰和共模干扰。干扰信号的形式微型计算机控制技术8.3过程通道的抗干扰措施1．串模干扰及其抑制叠加在被测信号上的干扰信号称为串模干扰。产生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。可以采取下列措施尽量减少其影响。◆采用输入滤波器◆进行电磁屏蔽和良好的接地◆选择合适的ADC◆使用电流信号传输微型计算机控制技术8.3过程通道的抗干扰措施2．共模干扰及其抑制共模干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存在漏阻抗。工模干扰微型计算机控制技术8.3过程通道的抗干扰措施抑制共模干扰的措施有：(1)采用差分放大器做信号前置放大(2)采用隔离技术将地电位隔开当信号地与放大器地隔开时，Vg不形成回路，就不能转成串模干扰。常用的隔离方法是使用变压耦合或光电耦合。若被测信号是直流信号，采用变压器隔离时，就必须采用调制解调技术。由变压器构成的隔离放大器如图所示。微型计算机控制技术8.3过程通道的抗干扰措施隔离放大器隔离放大器微型计算机控制技术8.3过程通道的抗干扰措施(3)利用浮地屏蔽采用双层屏蔽三线采样(Sl，S2，S3)浮地隔离放大器来抑制共模干扰电压。隔离放大器微型计算机控制技术8.4.1系统供电的抗干扰措施考虑采取电源保护措施，防止电源干扰，并保证不间断地供电。交流稳压器抑制电网电压波动的影响，保证220VAC供电。低通滤波器让50Hz的基波通过，而滤除高频干扰干扰信号。直流稳压电源采用开关电源。对电网电压的波动适应性强，抗干扰性能好。微型计算机控制技术8.4.1系统供电的抗干扰措施1.供电系统的一般保护解决尖峰脉冲的硬件方法：◆选用供电比较稳定的进线电源◆利用干扰抑制器消除尖峰干扰◆采用交流稳压器稳定电网电压一般计算机控制系统供电结构微型计算机控制技术8.4.1系统供电的抗干扰措施2.电源异常保护采用不间断电源UPS不中断供电。具有UPS发热供电结构微型计算机控制技术8.4.1系统供电的抗干扰措施3.直流电源系统直流电源侧采取的相应抗干扰措施◆交流电源变压器的屏蔽◆采用直流开关电源◆直流供电系统的隔离当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时，它们各自的直流供电电源间也应相互隔离，以减少公共阻抗的相互耦合和公共电源的相互耦合。交流侧隔离直流侧隔离微型计算机控制技术8.4.2系统接地的抗干扰措施广义的接地包含接实地和接虚地。计算机系统接地的目的：◆抑制干扰◆保护计算机、电器设备和操作人员的安全微型计算机控制技术8.4.2系统接地的抗干扰措施计算机控制系统中的“地”有多种，故接地线主要分为以下几类：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。模拟地是系统中的传感器、变送器、放大器、A／D和D/A转换器中模拟电路的零电位。数字地是计算机中数字电路的零电位，为避免对模拟信号造成数字脉冲的干扰，数字地应与模拟地分开。安全地又称为保护地或机壳地，其目的是让设备机壳与大地等电位。系统地是上述几类地的最终回流点，直接与大地相连。交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，其地电位很不稳定。交流地绝对不允许与上述几类地相连。微型计算机控制技术8.4.2系统接地的抗干扰措施1.单点接地与多点接地微型计算机控制技术8.4.2系统接地的抗干扰措施2.分别回流单点接地微型计算机控制技术8.4.2系统接地的抗干扰措施3.实用的低频接地微型计算机控制技术8.4.2系统接地的抗干扰措施4.输入通道的接地技术电路一点地基准信号源端接地时，放大器电源不接地；放大器接地时，信号源不接地。电缆屏蔽层的接地信号电路一点接地时，低频电缆的屏蔽层也一点接地。(a)(b)I/O设备I/O设备微型计算机控制技术8.4.2系统接地的抗干扰措施5.主机外壳接地微型计算机控制技术8.4.2系统接地的抗干扰措施6.多机系统的接地微型计算机控制技术8.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施当侵入的尖峰脉冲干扰使程序编码的某一位(或数位)发生改变时，程序可能“飞掉”,Watchdog技术可帮助系统恢复正常运行。微型计算机控制技术8.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施1、监控定时器Watchdog的工作原理Tl是应用程序的运行周期；定时器TM2是Watchdog。利用溢出脉冲P2并附加必要的程序设计，可以检测系统的出错，使应用程序重新恢复正常运行或使系统复位后恢复运行。微型计算机控制技术8.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施2.监控定时器Watchdog的实现方法微型计算机控制技术8.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施3.监控定时器Watchdog用于用户程序的自动恢复微型计算机控制技术8.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施4.监控定时器Watchdog用于硬件故障的检测凡在某个规定的时间间隔内连续数次出错即可判断为硬件故障。微型计算机控制技术8.6提高计算机控制系统的可靠性措施8.6.1可靠性可靠性是指机器、零件或系统，在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。狭义的可靠性是指一次性使用的机器、零件或系统的使用寿命。衡量可靠性的指标常用的有：可靠度、MTBF、MTTF及故障率。可靠度(Reliability)：指机器、零件或系统，从开始工作起，在规定的使用条件下的工作周期内，达到所规定的性能，即无故障正常状态的概率，用R(t)表示。即：R(t)＝P(X＞t)可靠度R(t)具有下列性质：①R(0)＝1；②③0≤R(t)≤1；R(t)是时间t的单调递减函数。;0)t(Rlimt微型计算机控制技术MTBF(MeanTimeBetweenFailures)：平均故障时间指可修理机器、零件或系统，相邻故障期间的正常工作时间的平均值。MTTF(MeanTimeToFailures)：到发生故障的平均时间指不能修理的机器、零件或系统，至发生故障为止的工作时间的平均值，即指不可修理产品的平均寿命。故障率(FailureRate)：通常指瞬时故障率。它是指能工作到某个时间的机器、零件或系统，在连续单位时间内发生故障的比例，用λ(t)表示。又称失效率、风险率。设N个同类型元件，到t时刻有Ns个元件仍正常工作，NF＝N—Ns个元件失效。则上式表明，故障率λ(t)等于t以后的单位时间内失效元件数与t时刻仍有效的元件数之比。dt)t(dNN1)t(Fs微型计算机控制技术1.可靠性设计的准则在可靠性设计时，遵循下列准则：①有效地利用以前的经验；②尽可能减少零件件数，尤其是故障率高的零件数；③采用标准化的产品；④检查、调试和互换容易实现；⑤零件互换性好；⑥可靠性特殊设计方法，例如，可靠度合理分配、冗余设计、安全装置设计、可靠性预测等。8.6.2提高可靠性的途径微型计算机控制技术日本横河公司对集散系统的可靠性设计提出了三个准则。①系统运行不受故障影响的准则冗余设计可以使系统某一部件发生故障时能够自动切换。多级操作可以使系统某一部件发生故障时能够旁路或者降级使用。②系统不易发生故障的准则从系统的基本部件着手，提高系统的MTBF。③迅速排除故障的准则是一条维修性设计准则。包括故障诊断、系统运行状态监视、部件更换等设计。微型计算机控制技术(1)冗余结构设计冗余分类:按冗余部件、装置或系统的工作状态，可分为工作冗余(热后备)和后备冗余(冷后备)两类。按冗余度的不同，可分为双重化冗余和多重化(n:1)冗余。集散系统的供电系统、通信系统、I/O插卡部件、上位机可以