龐 卓

山西太原鋼鐵公司自動(dòng)化公司，山西太原 030002

鋼廠(chǎng)自動(dòng)化儀表的抗干擾措施研究

龐 卓

山西太原鋼鐵公司自動(dòng)化公司，山西太原 030002

鋼廠(chǎng)的生產(chǎn)車(chē)間存在著嚴(yán)重的電磁干擾，對(duì)自動(dòng)化儀表穩(wěn)定有效的工作造成了比較大的影響，本文闡述相關(guān)的抗干擾措施，把電磁干擾降低到最小程度。

鋼廠(chǎng)；自動(dòng)化儀表；抗干擾措施

0 引言

在鋼廠(chǎng)的生產(chǎn)車(chē)間中，電磁環(huán)境十分復(fù)雜，許多設(shè)備存在著嚴(yán)重的電磁干擾，例如軋鋼機(jī)、起重設(shè)備中的電能變換模塊或電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備等，通過(guò)設(shè)備的機(jī)殼、配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)出干擾，對(duì)自動(dòng)化儀表穩(wěn)定有效的工作造成了比較大的影響。本文闡述相關(guān)的抗干擾措施，具有較好的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 鋼廠(chǎng)自動(dòng)化儀表概述

鋼廠(chǎng)自動(dòng)化儀表是基于微處理器的測(cè)量?jī)x器。一般來(lái)講，由以下幾部分組成：取樣單元、傳感模塊、儀表和相關(guān)電纜等。儀表則由輸入通道電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、CPU單元和顯示電路等模塊共同組成。

鋼廠(chǎng)自動(dòng)化儀表工作流程是：首先通過(guò)光學(xué)或者化學(xué)測(cè)量原理對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，獲取對(duì)應(yīng)于測(cè)量值的模擬信號(hào)值。該信號(hào)從測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)絻x表之內(nèi)，通過(guò)儀表光電隔離器以及信號(hào)放大器的初步處理之后，由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，由微處理器進(jìn)行進(jìn)一步處理，處理之后的最終結(jié)果在顯示器上顯示。鋼廠(chǎng)自動(dòng)化儀表信號(hào)往往具有傳輸距離長(zhǎng)、電平低、精度高的特點(diǎn)。

2 儀表的抗干擾措施

下面從以下幾個(gè)方面探討自動(dòng)化儀表主要部件的電磁兼容性技術(shù)。

2.1 儀表電源

在自動(dòng)化測(cè)量?jī)x表中，往往數(shù)字電路和模擬電路共存，電磁干擾最容易影響電源端口，因此需要采取如下措施：

1）將數(shù)字電路的電源模擬與電路的直流電源分開(kāi)，并盡量降低數(shù)字電路直流電源的內(nèi)阻，目的是使數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路的影響降至最低；

2）抑制干擾最常用的方法之一是在電源端口加裝濾波器。通常，大部分電源線(xiàn)濾波器的功能都是抑制低于30MHz頻率噪聲，而鋼廠(chǎng)脈沖干擾往往具有上百M(fèi)Hz以上的諧波頻率，所以在電源端口加裝濾波器的效果并不具有針對(duì)性。筆者推薦的做法是在儀表電源中引入群脈沖干擾抑制器，一方面向信號(hào)源反射低頻干擾信號(hào)，另一方面吸收高頻噪聲，并以熱的形式釋放。由此可知，加裝群脈沖干擾抑制器，可以結(jié)合吸收和反射，達(dá)到抑制脈沖群干擾信號(hào)的效果；

3）還有一種方法是隔離電源。引入強(qiáng)干擾的主要通道是自動(dòng)化儀表的電源電路，這些瞬間干擾能夠從電源線(xiàn)引入，也能從電源線(xiàn)最終進(jìn)入儀表的CPU系統(tǒng)，所以，采用隔離電源，選用DC/DC變換器，能夠起到很好的抗干擾作用。

2.2 傳感器

在鋼廠(chǎng)中，許多非電量的參數(shù)需要檢測(cè)，不同的非電量參數(shù)需要不同的測(cè)量方法，因此較為復(fù)雜。即使傳感器測(cè)量方法相同，也會(huì)由于光監(jiān)測(cè)器的數(shù)量而影響到測(cè)量的準(zhǔn)確度。選擇合適的傳感器是十分重要的。在鋼廠(chǎng)環(huán)境最普遍和嚴(yán)重的干擾是來(lái)自路和場(chǎng)兩個(gè)途徑的電磁干擾。因此提升自動(dòng)化儀表的電磁兼容性與傳感器的選擇有著密切的關(guān)系。由于儀表傳感器的工作環(huán)境復(fù)雜而惡劣，必須考慮可能遇到的各類(lèi)干擾，包括熱干擾、機(jī)械干擾、塵埃干擾、濕度干擾等等。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

鋼廠(chǎng)的自動(dòng)化儀表中的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，假若遇到干擾噪聲強(qiáng)而被測(cè)信號(hào)小的情況，就會(huì)受到比較大的影響。由于鋼廠(chǎng)的特定環(huán)境，干擾往往來(lái)源于溫度變化、設(shè)備預(yù)熱以及引線(xiàn)電感等，針對(duì)這樣的情況，推薦的抗擾措施為：

1）模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器優(yōu)先選用積分式或雙積分式，由于其采用的是均值轉(zhuǎn)換的原理，所以能夠抑制高頻噪聲的影響和瞬間干擾；

2）對(duì)于來(lái)自周?chē)h(huán)境的低頻干擾，可將同步采樣頻率設(shè)置為干擾頻率的整數(shù)倍，目的是抵消其正負(fù)半波在積分過(guò)程產(chǎn)生的干擾；

3）在傳感器上直接通過(guò)工藝與轉(zhuǎn)換器進(jìn)行集成，能夠降低線(xiàn)路干擾的影響，提升系統(tǒng)的抗干擾性能；

4）以電流替代電壓進(jìn)行傳輸，因?yàn)殡娏鱾鬏敱阌陂L(zhǎng)距離傳輸，比電壓傳輸耐受干擾；

5）采用浮地技術(shù)隔離切斷了地電流，以此來(lái)降低共模電流；

20世紀(jì)80年代，有關(guān)政府批準(zhǔn)三明鋼鐵廠(chǎng)將被譽(yù)為“南方周口店”的萬(wàn)壽巖史前遺址作為采礦點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)山采礦。 習(xí)近平得知后對(duì)此立即批示：“萬(wàn)壽巖史前遺址是重要的文化遺產(chǎn)且不可再生，這個(gè)文化遺產(chǎn)不僅屬于我們，同樣屬于我們的后代，為了謀取眼前的物質(zhì)利益破壞文化遺產(chǎn)的任何行為都是不可取的，需立即停止?！辈?duì)萬(wàn)壽巖史前遺址采取保護(hù)措施，幫助三明鋼鐵廠(chǎng)重新選址以及決定由省財(cái)政撥款用于遺址發(fā)掘與保護(hù)。 經(jīng)過(guò)習(xí)近平的努力，文化遺產(chǎn)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展才能相協(xié)調(diào)，三明鋼鐵廠(chǎng)選取了新的采礦點(diǎn)，萬(wàn)壽巖史前遺址也在2013年被確定為國(guó)家考古遺址公園。

6）為改善高頻共模干擾，儀器可以采用屏蔽法，當(dāng)存在頻率較高的干擾信號(hào)時(shí)，屏蔽防護(hù)可以消除傳輸線(xiàn)與屏蔽體的分布電容上的共模電壓；

7）選擇軟件濾波技術(shù)。

2.4 單片機(jī)

鋼廠(chǎng)自動(dòng)化儀表在線(xiàn)主要采用單片機(jī)系統(tǒng)作為微處理器，保證輸入和輸出信號(hào)的正確性，是單片機(jī)系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠工作的關(guān)鍵。通常，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可以分成兩部分，數(shù)字電路和模擬電路，兩部分會(huì)互相影響，首先是通過(guò)線(xiàn)間耦合形成串?dāng)_通路而相互干擾，其次是易于形成輻射，對(duì)電源影響較敏感。

因此，自動(dòng)化儀表中的單片機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行良好的接地設(shè)置，使功率隔離、頻率隔離；在電源設(shè)計(jì)方面，涉及到電源特性的設(shè)計(jì)和電源性質(zhì)的選擇。前者例如適當(dāng)?shù)墓β试６?，后者則需要考慮選取整流電源還是電池，以及分布式供電還是集中供電等等。另外應(yīng)引入降頻控制技術(shù)，在保證系統(tǒng)正常工作的前提下盡可能使頻率降低。

2.5 信號(hào)通道

鋼廠(chǎng)自動(dòng)化儀表接受干擾的重要途徑還包括儀表中的輸入輸出接口，結(jié)合自動(dòng)化儀表信號(hào)通道的實(shí)際特性，可以采取的方法有：

1）隔離法

通過(guò)光電耦合單元實(shí)現(xiàn)隔離，按適當(dāng)?shù)姆绞綄⒐饷羝骷桶l(fā)光器件組合封裝，以光信號(hào)作為電信號(hào)的傳遞媒介。因此消除了直接的電信號(hào)連接和共地點(diǎn)，通過(guò)這種方式隔離了干擾的途徑。此外，光電耦合單元可以實(shí)現(xiàn)能量傳遞，而大部分的強(qiáng)干擾雖然幅度大，作用時(shí)間卻往往很短暫，能量很小，難以導(dǎo)致發(fā)光器件產(chǎn)生。

2）濾波法

2.6 印制電路板

印制電路板是自動(dòng)化儀表硬件組成部分的主體，提供電路器件間的電氣連接，印制電路板的性能直接決定了儀表性能。出于經(jīng)濟(jì)的考慮，印刷電路板的設(shè)計(jì)往往聚焦于布局均勻，減小空間，卻忽視了電磁兼容性，導(dǎo)致信號(hào)輻射，引發(fā)電磁兼容問(wèn)題。因此，在初期設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)應(yīng)該做到：

1）電源線(xiàn)和地線(xiàn)

應(yīng)該加粗印制電路板電源線(xiàn)和地線(xiàn)，如果線(xiàn)太細(xì)時(shí)，這些線(xiàn)的阻抗會(huì)導(dǎo)致電源和電位隨負(fù)載電流發(fā)生變化，引入噪聲。因此，地線(xiàn)的布線(xiàn)與電源引線(xiàn)應(yīng)該分別布設(shè)在印制板兩面。

2）元器件

應(yīng)對(duì)印制電路板上的元器件空間進(jìn)行分割，同組的元器件集中放在一起，保證各元器件不相互干擾。通常，可以先以電源和電壓進(jìn)行分組，然后再按數(shù)字與模擬、電流大小進(jìn)行進(jìn)一步分組，盡量把相關(guān)的元器件排在一起，器件的排列方向應(yīng)基本一致。

3 結(jié)論

鋼廠(chǎng)自動(dòng)化儀表的抗干擾措施是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要從諸多方面來(lái)綜合考慮，包括儀表的器件選擇、電路設(shè)計(jì)、儀表的信號(hào)處理方式等等，均應(yīng)盡量把電磁干擾降低到最小程度，從而實(shí)現(xiàn)提高儀表的電磁兼容性能的目的。

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1674-6708（2011）48-0025-02