计算机控制系统的抗干扰及可靠性设计

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当信号在长线中传输时,由于传输线的分布电容和分 布电感的影响,信号会在传输线内部产生向前的电压波和 电流波,称为入射波;另外,如果传输线的终端阻抗与传 输线的波阻抗不匹配,那么当入射波到达终端时,便会引 起反射;同样,反射波到达传输线始端时,如果始端阻抗 不匹配,还会引起新的反射。这种信号的多次反射现象, 使信号波形失真和畸变,并且引起干扰脉冲。
② 电磁兼容性设计 电磁兼容性是指计算机系统在电磁环境中的适应性,即能 保持完成规定功能的能力。电磁兼容性设计的目的是使系统既 不受外部电磁干扰的影响,也不对其他电子设备产生影响。
③故障诊断 在故障发生后及时显示故障信息,尽快定位故障点是提高
系统可靠性的重要保证,控制系统一般都具备自诊断功能。
④软件可靠性技术 提高软件可靠性的前提条件是设计人员对生产工艺过程 的深入了解,并且使软件易读、易测和易修改。且应尽量将 软件规范化、标准化和模块化,尽可能把复杂的问题化成若 干较为简单明确的小任务。
2.控制失灵 在计算机控制系统中,控制状态的输出常常取决于某些 条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果,而在这些环节 中,由于干扰的侵入,可能造成条件状态偏差、失误,致使 输出控制误差加大,甚至控制失灵。
3.程序运行失常 计算机系统引入强干扰后,程序计数器PC的值可能被改 变,这将引起程序执行出现混乱,最终可能导致程序“死循 环”。
二、干扰的作用途径
干扰信号主要通过以下的途径进入系统内部:
1.传导耦合 干扰由导线进入电路中称为传导耦合。 2 干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。
3.电磁耦合 电磁耦合是指在空间磁场中电路之间的互感耦合。
4 公共阻抗耦合是指多个电路的电流流经同一公共阻抗时
所产生的相互影响。
三、干扰的作用形式
软件(程序)冗余 在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条 NOP指令,以保证弹飞的程序迅速纳入正确轨道。在某些 重要的指令前也可插入两条NOP指令,以保证其正确执行。
信息(数据)冗余技术 RAM数据冗余就是将要保护的原始数据在另外两个区 域同时存放,建立两个备份,当原始数据块被破坏时,用 备份数据块去修复。 时间冗余技术 为了提高计算机控制系统的可靠性,可以采用重复执 行某一操作或某一程序,并将执行结果与前一次的结果进 行比较对照来确认系统工作是否正常。
1.终端匹配 为了进行阻抗匹配,必须事先知道传输线的波阻抗RP,
波阻抗的测量如下图所示。
波阻抗测量原理图
调节可变电阻R,并用示波器观察门A的波形,当达到完 全匹配时,即R=RP时,门A输出的波形不畸变,反射波完 全消失,这时的R值就是该传输线的波阻抗。
为了避免外界干扰的影响,在计算机中常常采用双 绞线和同轴电缆作为信号线。双绞线的波阻抗一般在 100~200Ω之间,纹花越密,波阻抗越低。同轴电缆的 波阻约50~100Ω范围。
传感器出口处将被测信号由电压转换为电流,以电流形式传 送信号,将大大提高信噪比,从而提高传输过程中的抗干扰 能力。
二、并模干扰的抑制
抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接地点之间的 电位差。
1、平衡对称输入 在设计信号源(通常是各类传感器)时,尽可能做到平 衡和对称,否则有可能产生附加的差模干扰,使后续电路不 易对付。 2、变压器隔离 隔离变压器是最常用的隔离元件之一,用来阻断干扰信 号的传导通路,并抑制干扰信号的强度。是利用变压器把模 拟信号电路与数字信号电路隔离开来,也就是把模拟地与数 字地断开,以使共模干扰电压不成回路,从而抑制了共模干 扰。
最简单的终端匹配方法如下图(a)所示,如果传输线的波 阻抗是RP,那么当R=RP时,便实现了终端匹配,消除了 波反射。此时终端波形和始端波形的形状相一致,只是时 间上滞后。
终端匹配图
为了克服上述匹配方法的缺点,可采用下图(b)所示的终 端匹配方法。其等效电阻R为:
R R1R2 R1 R2
适当调整R1和R2的阻值,可使R=RP。这种匹配方法 也能消除波反射,优点是波形的高电平下降较少,缺点是 低电平抬高,从而降低了低电平的抗干扰能力。为了同时 兼顾高电平和低电平两种情况,可选取 R1=R2=2RP,此 时等效电阻R=RP。
2.始端匹配
在传输线始端串入电阻R,如下图9所示,也能基本上
消除反射,达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻
R为:
R Rp Rsc
其中,RSC为门A的输出低电平时的输出阻抗。
始端匹配图
3.3 软件抗干扰与系统冗余技术
一、软件故障对系统的危害
1.数据采集不可靠 在数据传输过程中仍然会有一些干扰侵入系统,造成采 集的数据不准确造成误差。
为了避免电阻把交流电力线引入的干扰传输到控制装置内部, 一般将两种地分开。这样既能保证控制系统内部器件的安全性, 又能提高系统工作的可靠性和稳定性。 5.印刷电路板地线的安排
在安排印刷电路板地线时,首先要保证地线阻抗较低,为此 必须尽可能地加宽地线;其次要充分利用地线的屏蔽作用,将印 刷电路板全部边缘用较粗的印刷地线环绕整块板子作为地线干线, 并同时在板中的所有空隙处均填以地线。
3.4常用的接地方法
一、计算机控制系统的各种地 1、数字地:CPU的地 2、模拟地:放大器、A/D、D/A等,必须认真对待模拟地 3、功率地:强电的地为功率地 4、信号地:传感器、执行机构 5、屏蔽地 6、交流地 7、直流地
二、接地技术
1.一点接地和多点接地
对于信号频率小于1MHz的电路,采用一点接地, 防止地环流的产生;当信号频率大于10MHz时, 应采用就近多点接地;如果信号频率在1~10MHz 之间,当地线长度不超过信号波长的1/20时,可以 采用一点接地,否则就要多点接地。
二、输入/输出软件抗干扰措施 1.开关量(数字量)输入抗干扰措施 对于开关量的输入,为了确保信息准确无误,在软件上 可采取多次读取的方法(至少读两次),认为无误后再行输 入,如下图所示。
2.开关量(数字量)输出抗干扰措施 当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构
动作时,为了防止这些执行机构由于外界干扰而误动作, 比如已关的闸门、料斗可能中途打开;已开的闸门、料 斗可能中途突然关闭。对于这些误动作,可以在应用程 序中每隔一段时间发出一次输出命令,不断地关闭闸门 或者开启闸门。这样,就可以较好地消除由于扰动而引 起的误动作(开或关)。
1、串模干扰 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰,也称之为
正态干扰、常态干扰、横向干扰等。
US 信
US 信号源
号 Un 源
AD转换器
干扰源
AD转换器
Un
图4-58 串模干扰形式1
图4-59 串模干扰形式2
串模干扰和被测信号在回路中所处的地位是相同的,总
是以两者之和作为输入信号。
2、共模干扰 共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的
2、继电器隔离 继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系,所以可利 用继电器的线圈接收信号,通过触点发送和输出信号,从而 避免强电和弱电信号之间的直接接触,达到了抗干扰的目的
3、布线隔离 合理布线,满足抗干扰技术的要求。
4、过压保护电路 如果没有采用光电隔离措施,在输入输出通道上应采用
一定的过压保护措施,以防引入过高电压,侵害控制系统。
5、使用双积分式A/D 当尖峰型串模干扰为主要干扰时,使用双积分式A/D转 换器,或在软件上采用判断滤波的方法加以消除。
6 为了防止“干扰噪声”通过空间耦合方式侵入信号线而
进入电气设备,在干扰比较强的工业现场,或者对那些比较 微弱的信号,传输时宜选用屏蔽线。
7、电流传送 当传感器信号距离主机很远时很容易引入干扰。如果在
浮地输入双层屏蔽放大器图
5.采用具有高共模抑制比的仪表放大器作为输入放大 器
仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂 移低、增益可调等优点,是一种专门用来分离共模干扰 与有用信号的器件。
三、长线传输干扰的抑制
在计算机控制系统中,由于数字信号的频率很高,很 多情况下传输线要按长线对待。
信号在长线中传输时会遇到三个问题:一是长线传输 易受到外界干扰;二是具有信号延时;三是高速度变化的 信号在长线中传输时,还会出现波反射现象。
可靠性是整体性能与可靠性的基础。因此,元器件的选 用要遵循以下原则:
① 严格管理元器件的购置、储运 ② 老化、筛选和测试 ③ 降额使用 ④ 选用集成度高的元器件
2、部件及系统级 部件及系统级的可靠性技术是指功能部件或整个系统 在设计、制造、检验等环节所采取的可靠性措施。
① 冗余技术 冗余技术也称容错技术,是通过增加完成同一功能 的并联或备用单元数目来提高可靠性的一种设计方法。 冗余技术包括硬件冗余、软件冗余、信息冗余、时间冗 余等。 硬件冗余 根据系统的功能及各个模块在系统中的地位和作用, 配备一定数量同等功能的模块,通过有关线路的配合, 当其中某一块模块失效时,备用Байду номын сангаас块即可自动投入运行。
变换器等产生高频振荡时形成的噪声。 ❖ (3)浪涌干扰 ❖ 主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电流、开
关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等设备产生涌流 引起的噪声。
一、干扰的来源 计算机控制系统所受到的干扰源分为外部干
扰和内部干扰。
1、内部干扰
① 元器件本身的性能与可靠性。
② 系统结构设计
③ 安装与调试
变压器隔离图
3.光电隔离 光电隔离是利用光电耦合器完成信号的传送,实现电路
的隔离,如下图所示。根据所用的器件及电路不同,通过 光电耦合器可以实现模拟信号的隔离,也可以实现数字量 的隔离。注意,光电隔离前后两部分电路应分别采用两组 独立的电源。
光电隔离图
4.浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰,如下图 所示。所谓浮地,就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地” 浮空,从而达到抑制共模干扰的目的。
2.设置监视跟踪定时器 监视跟踪定时器,也称为看门狗定时器(Watchdog),可
以使陷入“死机”的系统产生复位,重新启动程序运行。这 是
用于监视跟踪程序运行是否正常的最有效的方法之一,得到 了广泛的应用。
四、提高计算机控制系统可靠性的方法
1、元器件级 元器件是计算机系统的基本部件,元器件的性能与
第3章 计算机控制系统的抗干扰技术
3.1工业现场的干扰及对系统的影响
3.2硬件抗干扰技术 3.3软件抗干扰及系统冗余技术 3.4接地技术 3.5电源系统抗干扰
3.1工业现场的干扰及对系统的影响
按干扰产生的原因分类 ❖ (1)放电干扰 ❖ 主要是雷电、静电、电动机的电刷跳动、大功率开关触
点断开等放电产生的干扰。 ❖ (2)高频振荡干扰 ❖ 主要是中频电弧炉、感应电炉、开关电源、直流—交流
干扰,也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰 等。
共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源 的地之间的传输线上电压降造成的,
被测信号源
计算机
Us
AD转换器
Ucm
3.2硬件抗干扰技术
一、串模干扰的抑制 1.在输入回路中接入模拟滤波器 根据被测信号的频率范围,选用不同频带的滤波器,使
有用信号顺利通过。
主要是由分布电容或分布电感产生的干扰、多 点接地造成的电位差以及长线传输的波反射给系 统带来的影响等。
2、外部干扰 ① 外部电气条件 ② 外部空间条件 ③ 外部机械条件
主要是由电源电网的波动、大型用电设备(如天 车、电炉、大电机、电焊机等)的启停、高压设备 和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等 影响。
2.模拟地和数字地的连接 在计算机控制系统中,数字地和模拟地必须分别接地,然 后仅在一点把两种地连接起来。否则,数字回路通过模拟电 路的地线再返回到数字电源,将会对模拟信号产生影响。
模拟地与数字地的连接线路图
3.将逻辑地浮空并使机柜良好接地 浮地是指控制装置的逻辑地和大地之间不用导线连接,以悬
浮的“地”作为系统的参考电平。这在很大程度上可以抑制外部 辐射和干扰信号。 4.交流接地点与直流接地点分开
三、程序运行失常的软件抗干扰
1.设置软件陷阱 当干扰导致程序计数器PC值混乱时,可能造成CPU
离开正确的指令顺序而跑飞到非程序区去执行一些无意义 地址中的内容,或进入数据区,把数据当作操作码来执行, 使整个工作紊乱,系统失控。针对这种情况,可以在非程 序区设置陷阱,一旦程序飞到非程序区,很快进入陷阱, 然后强迫程序由陷阱进入初始状态。
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