嚴(yán) 波

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局二〇二三臺(tái)）

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基于分布式采集模式的強(qiáng)電磁場(chǎng)抗干擾方法

嚴(yán) 波

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局二〇二三臺(tái)）

摘 要：本文從理論和實(shí)際兩個(gè)層面，深入分析了中短波發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)集中采集取樣信號(hào)不穩(wěn)定的原因，提出分布采集模式+短距離傳輸線路雙屏蔽方法，解決模擬信號(hào)受干擾問(wèn)題，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了非常好的效果，對(duì)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集，具有較高的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：中短波；電磁干擾；集中采集；分布采集

隨著科技的發(fā)展，大量自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用于中短波廣播電臺(tái)的安全播出工作中，而對(duì)于電磁環(huán)境惡劣的中短波發(fā)射電臺(tái)，有些自動(dòng)化系統(tǒng)的前端采集點(diǎn)分布廣，距離干擾源近，數(shù)據(jù)采集環(huán)境非常不理想。保證采集端數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，使其不受高頻電磁干擾影響，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提，也是在強(qiáng)電磁環(huán)境下，設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)必須考慮的因素。本文提出了一種基于分布采集模式的強(qiáng)電磁場(chǎng)抗干擾方案，其在實(shí)際中得到了很好的驗(yàn)證。

1 信號(hào)采集

圖1 信號(hào)采集模型

1.1 信號(hào)采集模型有線信道，但多數(shù)采集信號(hào)屬于模擬信號(hào)，如發(fā)射機(jī)各個(gè)器件的輸入/輸出電壓、電流、溫濕度、水壓、駐波比等。自動(dòng)化系統(tǒng)的傳輸線路并不是在所有場(chǎng)合都適用無(wú)線傳輸，有線信道的應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛，比如，發(fā)射機(jī)的各種表值、狀態(tài)的取樣等。所以，雖然數(shù)字信號(hào)和無(wú)線信道抗電磁干擾能力都較強(qiáng)，但模擬電信號(hào)的有線信道傳輸更為常用。因此，對(duì)有線傳輸信道模擬信號(hào)的抗干擾分析是非常有必要的。

1.2 信號(hào)采集模式

3 分布采集數(shù)據(jù)模型

取樣信號(hào)的采集模式，分為集中采集和分布式采集兩種，典型集中采集的信號(hào)設(shè)備是PLC。如圖2所示，PLC將來(lái)自不同采集地點(diǎn)的取樣信號(hào)匯集一處，集中處理，并集中輸出控制信號(hào)。典型的分布式信號(hào)處理設(shè)備是研華的ADAM模塊，如圖3所示，它能將數(shù)據(jù)處理功能劃整為零，將數(shù)據(jù)處理功能分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)數(shù)據(jù)處理模塊上，而這些數(shù)據(jù)模塊既

圖1是典型的自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式模型，數(shù)據(jù)采集設(shè)備將采集到的取樣信號(hào)，以電或光信號(hào)的方式，經(jīng)傳輸線路送給數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行處理。

在這個(gè)模型中，取樣信號(hào)可以是數(shù)字信號(hào)，也可以是模擬信號(hào)，傳輸線路可以是有線，也可以是無(wú)線信道，雖然數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力明顯優(yōu)于模擬信號(hào)，無(wú)線傳輸信道的工作頻段也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于廣播的工作頻段，抗干擾性明顯強(qiáng)于可以分散放置在離采集端非常近的地點(diǎn)，也可以與其他數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.3 集中采集模式的弊端

從圖1可以看出，無(wú)論采用哪種數(shù)據(jù)采集模式，中短波電臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備，都暴露在強(qiáng)電磁環(huán)境下。電磁干擾通過(guò)以下三種干擾方式影響數(shù)據(jù)采集信號(hào)的準(zhǔn)確性。一是直接作用于數(shù)據(jù)采集或處理設(shè)備，干擾設(shè)備內(nèi)元器件，使其無(wú)法正常工作；二是作用于數(shù)據(jù)采集或處理設(shè)備的電源，使設(shè)備供電不正常；三是直接作用于傳輸信道，使傳輸信號(hào)發(fā)生畸變。對(duì)于集中式和分布式兩種數(shù)據(jù)采集方式來(lái)說(shuō)，經(jīng)常會(huì)遇到前兩種干擾方式，二者抗干擾措施基本相同，一般都是增加電源濾波器或磁環(huán)。根據(jù)實(shí)際的電磁特性，選擇具有較好電磁屏蔽效果和厚度適宜的材料制作屏蔽機(jī)箱，同時(shí)，提供良好的接地（最好接地阻值在1歐姆以下），為電源和屏蔽機(jī)箱提供良好的靜電泄放通路。而這兩種截然不同的數(shù)據(jù)采集方式，最大的區(qū)別在于傳輸信道干擾程度不同，這是本文討論的重點(diǎn)，下面將重點(diǎn)分析。

集中采集模式的弊端在于數(shù)據(jù)傳輸線路過(guò)長(zhǎng)，特別是模擬信號(hào)，易受強(qiáng)電磁干擾，信號(hào)波形嚴(yán)重失真，造成數(shù)據(jù)處理設(shè)備無(wú)法正確獲得取樣數(shù)據(jù)的數(shù)值。由于短波工作在3～26M范圍，常用頻段在6～21M，波長(zhǎng)范圍在14.28～50m，查閱電磁干擾相關(guān)書籍可知，當(dāng)傳輸線長(zhǎng)度大于電磁信號(hào)1/4個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，電磁信號(hào)就會(huì)對(duì)傳輸信道的信號(hào)產(chǎn)生干擾。在實(shí)際有線傳輸信道，經(jīng)常會(huì)采用多種抗干擾措施，但如果自動(dòng)化系統(tǒng)前端采集設(shè)備到數(shù)據(jù)處理設(shè)備的傳輸距離大于1/2個(gè)波長(zhǎng)，在強(qiáng)電磁干擾源的作用下，即使采取多種抗干擾措施，并不能起到很好的抗電磁干擾效果。

1.4 分布采集模式

集中采集模式，如果傳輸信道距離大于1/2個(gè)波長(zhǎng)，模擬信號(hào)在有線傳輸信道存在嚴(yán)重干擾，原因有二，一是傳輸信號(hào)是模擬信號(hào)，二是傳輸線路過(guò)長(zhǎng)。但模擬信號(hào)在有線信道傳輸中是不可避免的，所以，一方面要盡可能縮短有線傳輸信道的距離，使作用于有線信道的抗干擾措施發(fā)揮作用，讓干擾控制在有效范圍內(nèi)；另一方面，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，提高信號(hào)的抗干擾性。但在集中采集模式下，如果采集點(diǎn)分布較為分散，縮短某一個(gè)采集點(diǎn)到數(shù)據(jù)處理匯聚點(diǎn)的距離，必然意味著增加另一個(gè)采集點(diǎn)到數(shù)據(jù)處理設(shè)備的距離。所以，要想解決模擬信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸，使其不受干擾，必須跳出集中采集模式的思維定勢(shì)，從另一個(gè)角度解決集中采集模式存在的問(wèn)題，也就是將數(shù)據(jù)處理設(shè)備化整為零，采用分布采集模式，拉近數(shù)據(jù)處理設(shè)備到所有數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的距離，就近處理采樣信號(hào)，同時(shí)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而提高采集信號(hào)的抗干擾性。

圖5 PLC測(cè)試溫度曲線

圖6 ADAM測(cè)試溫度曲線

圖4 PLC、ADAM測(cè)試示意圖

1.5 多層屏蔽的短距離傳輸線路

解決了長(zhǎng)距離傳輸線路問(wèn)題，接下來(lái)就要解決傳輸線路干擾問(wèn)題。在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下，傳輸線路是非常好的接收天線，所以，必須在采用分布采集模式的基礎(chǔ)上，提高傳輸線路的屏蔽效果。采用分布采集模式，將模擬信號(hào)傳輸距離控制在半個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，再采取抗干擾措施，解決干擾問(wèn)題。電磁干擾對(duì)傳輸線路的影響，可以分為電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合兩種。傳輸線路可以采用兩層屏蔽模式，外層屏蔽采用雙端接地，用來(lái)消除磁場(chǎng)耦合，通過(guò)中間多點(diǎn)接地方式，把傳輸線路控制1/4個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)；內(nèi)層屏蔽選接地良好的一端接地，用來(lái)消除電場(chǎng)耦合，同時(shí)，減小屏蔽層的孔徑，減低電磁信號(hào)的衍射干擾。如果電磁波信號(hào)強(qiáng)度非常強(qiáng)或者采集點(diǎn)距離干擾源非常近，可以考慮三層以上的屏蔽層，采用電場(chǎng)和磁場(chǎng)交叉屏蔽的方式設(shè)置接地方式。

2 實(shí)際測(cè)試

2.1 運(yùn)行效果

為了驗(yàn)證理論分析是否與實(shí)際相符，以PLC為代表的集中采集模式和以ADAM模塊為代表的分布采集模式，在某臺(tái)500kW短波發(fā)射機(jī)房，作為溫控自動(dòng)化系統(tǒng)兩個(gè)測(cè)試方案，進(jìn)行為期一個(gè)月的測(cè)試。該機(jī)房共有6部發(fā)射機(jī)，擺放在長(zhǎng)約70米的機(jī)房大廳。兩個(gè)測(cè)試方案都需要采集每部發(fā)射機(jī)出/入水溫度和水位液面位置的模擬量，共計(jì)18個(gè)模擬量；PLC采用集中采集數(shù)據(jù)模式，最遠(yuǎn)的采集點(diǎn)距離PLC近40m；而ADAM模塊采用分布式數(shù)據(jù)采集，每部發(fā)射機(jī)可以根據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)量和距離，采取就近安裝方式，選擇安裝一塊或多塊ADAM模塊采集數(shù)據(jù)，每個(gè)采集點(diǎn)距離ADAM模塊不超過(guò)1/2個(gè)波長(zhǎng)（21M頻率）距離。PLC和ADAM模塊與采集點(diǎn)的傳輸線路，均采用雙層屏蔽方式，外層兩端接地，內(nèi)層在采集點(diǎn)采用單端接地方式，此外，PLC的傳輸線路，在外層屏蔽層中還做了多點(diǎn)接地；PLC和ADAM在接收到采集信號(hào)后，都采用數(shù)字信號(hào)將數(shù)據(jù)發(fā)送給位于現(xiàn)場(chǎng)的上位機(jī)。如圖4所示。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，采用分布式采集模式+短距離傳輸線路雙屏蔽方式，效果明顯優(yōu)于集中采集+長(zhǎng)距離傳輸線路雙屏蔽方式。圖5是17M頻率下，采用集中采集模式，B03機(jī)的溫度采集數(shù)據(jù)曲線，從圖中可以看到，使用同樣的抗干擾措施，依然會(huì)有較強(qiáng)的干擾信號(hào)；而采用分布采集模式，在為期一個(gè)月的時(shí)間里，在同一時(shí)間段、同一頻率下，即使500kW的天饋線距離采集點(diǎn)不到10m，上位機(jī)顯示的B03機(jī)溫度采集數(shù)據(jù)，如圖6所示，曲線比較平滑，符合設(shè)備操作運(yùn)行規(guī)律，測(cè)試達(dá)到了預(yù)期效果。

本方法已經(jīng)在兩個(gè)短波發(fā)射機(jī)房成功實(shí)施，截至目前，設(shè)備穩(wěn)定，運(yùn)行情況良好。

3.2 經(jīng)濟(jì)成本

在測(cè)試中，雖然ADAM模塊的數(shù)量多于PLC，但統(tǒng)計(jì)實(shí)際需求采集點(diǎn)數(shù)量，經(jīng)過(guò)具體測(cè)算，購(gòu)買ADAM模塊的預(yù)算少于購(gòu)買PLC模塊的預(yù)算。

3 結(jié)語(yǔ)

中短波發(fā)射電臺(tái)，由過(guò)去傳統(tǒng)的手動(dòng)操作廣播發(fā)送設(shè)備，改變?yōu)樽詣?dòng)化系統(tǒng)控制廣播發(fā)送設(shè)備，廣播發(fā)送設(shè)備的自動(dòng)化，降低了值班員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，縮短了指令的響應(yīng)時(shí)間。自動(dòng)化徹底改變了電臺(tái)的工作方式，但這一切都建立在自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，筆者站在實(shí)際工作的角度，提出分布式采集模式+短距離傳輸線路雙屏蔽的抗干擾方法。發(fā)射電臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)，其最大的難點(diǎn)就是抗電磁干擾問(wèn)題。在高頻環(huán)境下，往往需要采取多種措施，才能徹底解決中短波全頻段上的干擾問(wèn)題。限于篇幅和作者能力，無(wú)法在此一一列舉，文章若有描述不當(dāng)之處，希望各位老師、同仁能批評(píng)指正。