控制系統的電磁兼容性

　　摘要：本文簡要介紹了控制系統電磁干擾的機制，列舉了減小干擾源的強度、抑制干擾的傳輸、降低設備對干擾的敏感度的措施，以及對控制系統進行電磁兼容性測試的一般要求。
　　
　　1、概述
　　
　　控制系統通過輸入通道采集被控對象的相關運行參數，經中央數字處理單元DPU運算處理后通過輸出通道發出控制指令，由執行結構調節控制對象的控制參數，zui終使控制對象的被控參數跟隨給定參數變化。控制系統的實際運行環境不可避免地充滿作各種電磁干擾，閉環控制系統的各個環節因電磁干擾出現功能失常，都將造成被控參數偏離給定參數的要求，使產品質量下降。嚴重時會使被控對象停止運行，甚至損壞被控對象。提高控制系統的兼容性，使其在電磁干擾環境下也能順利完成規定的控制任務具有非常重要的意義。
　　
　　控制系統的電磁干擾主要有來自外部的：空間輻射干擾、電源線傳導干擾、信號線傳導的干擾、接地系統干擾；來自內部的：電源／地噪聲、信號間串擾、信號傳輸反射干擾。控制系統的電磁兼容性設計任務是研究產生干擾的機制、抑制干擾的措施，保障控制系統在規定的干擾環境，能完成規定的任務。在偶然出現強干擾后，控制系統也能自動恢復正常運行，并且被控對象運行狀態變化在可接受的范圍內。我們可以從設法減小干擾源的強度、抑制干擾的傳輸、降低設備對干擾的敏感度等三個方面入手。
　　
　　2、減小干擾源的強度
　　
　　2.1限制信號邊沿時間
　　
　　在控制的電子設備中，隨著信號的傳遞必然伴隨著電壓或電流的變化。隨著電路板工作頻率的增加，要求信號邊沿的上升時間和下降時間越來越小，電壓或電流變化得越快干擾強度也越大。因此可能的情況下應盡量采用響應速度較低的器件，必要時可在信號驅動端的信號線在串聯一個小電阻，減小信號變化速率。
　　
　　2.2降低地阻抗
　　
　　信號地線公共阻抗上的電位差，對信號的傳遞會產生干擾。干擾隨著信號瞬間電流增大、頻率增高、阻抗增大而增大。采用完整地平面為信號提供低阻抗返回路徑。對于1MHz以下部分常采用單點接地方式，更高頻率部分常采用多點接地方式。
　　
　　2.3降低電源噪聲
　　
　　開關電源工作在高頻開關狀態，會產生高頻電磁輻射沿導線和空間向外傳播，干擾其它電子設備。通常在開關電源輸入輸出兩端需設置高抑制比的π型濾波器，并且必要時還應加屏蔽罩。
　　
　　在器件的電源地之間設置濾波電容、電感，不但可降低電源線的噪聲，而且可減小對電源干擾的敏感度。
　　
　　2.4降低時鐘信號噪聲
　　
　　時鐘信號頻率高、邊沿陡峭易產生電磁干擾，應盡量減少時鐘信號的走線長度，減少過孔，采用終端阻抗匹配以避免信號反射。給時鐘信號提供完整的返回通路，盡量減小信號回路面積。用地線將時鐘信號與敏感線路隔離。
　　
　　3、抑制干擾的傳輸
　　
　　3.1屏蔽電纜
　　
　　控制系統的I/0信號電纜通常很長，鋪設環境電磁環境較差，為了隙住經導線因電磁感應而產生干擾，需要采用屏蔽電纜。屏蔽線必須采用一端接地，避免形成地環路造成干擾。通常選擇電子控制設備集中的機柜側接地。
　　
　　3.2屏蔽罩
　　
　　采用導電性能好的鐵磁性材料制作電子控制設備的外殼機箱、機柜，可減少空間高頻電磁場對控制系統的干擾。設法機箱各金屬件間可靠電氣連接不但可提高屏蔽效果，而且降低靜電的影響。盡量減小通風孔、縫隙尺寸，必須也對其采取屏蔽措施，抑制電磁輻射。
　　
　　3.3接地
　　
　　按照接地功能可分為保護地、信號地。設備外殼金屬部分必須良好接地（保護地），以保護人身安全。信號地是整個控制系統工作的參考電位。由于一個工業控制系統的I/0信號分布區域較大，為了減小地電位波動對系統的干擾，應采用“實地”，避免采用“浮地”。
　　
　　3.4電源濾波器
　　
　　公共電源線路上掛接了許多用電設備，某些大型設備，如電機、變頻器等，在工作時會產生大量諧波。應在控制設備的電源輸入端設置電源濾波器，以抑制沿電源線路傳導來的干擾。
　　
　　3.5抑制串擾
　　
　　為了減小模擬電路與數字電路間的串擾，應將模擬、數字電路分開布局；應盡量縮短導線長度和增大導線間的距離，增大電源平面和地平面，以減小信號線路間的互感、互容。
　　
　　4、降低對干擾的敏感度
　　
　　（1）設置保護器件
　　
　　電磁干擾極易沿導線引入對控制設備造成干擾。在控制設備進、出線端設置適當的保護器件。如TVS管、壓敏電阻、氣體放電管、自恢復保險等。
　　
　　（2）設置信號濾波
　　
　　在敏感電路中適當設置濾波、限幅電路，抑制干擾信號強度。采用工頻限波算法軟件濾波。
　　
　　（3）處理空閑管足
　　
　　閑置不用的輸入管足不能懸空，應將其連接到電源或地。
　　
　　（4）采用差分傳輸電路
　　
　　差分平衡電路具有很好的對稱性，可大幅度抑制共模干擾。對稱差分信號的共模電壓為零，信號幅度也僅為單端信號的一半，因此產生的干擾也小一半。對于遠距離傳輸的微弱信號、高頻率信號建議采用差分傳輸方式。
　　
　　（5）采用隔離電路
　　
　　采用隔離電路（如光隔離器、變壓器）將各系統隔離開來，可有效抑制共模電壓產生的干擾。在A/D、D/A轉換器與信號端子間應設置運算放大器，以降低干擾影響。
　　
　　（6）抑制尖脈沖
　　
　　采用適當硬件電路及固件措施，將脈沖寬度小于預定值的干擾信號濾除。
　　
　　（7）合理設置復位信號
　　
　　分別給各智能芯片設置復位信號，使CPU在檢測到某智能芯片功能異常時，先通過向該芯片發送控制字喚醒它，若不行可復位信號僅使該芯片復位，可避免故障擴大。
　　
　　（8）采用可靠的時鐘信號
　　
　　因A/D芯片易受干擾，應盡量避免采用A/D芯片內部時鐘。
　　
　　（9）輸出保持
　　
　　在控制設備剛上電時（冷啟動），控制輸出信號（開出、模出）的初始值應保持掉電時的狀態。
　　
　　在控制設備正常運行期間，若WATCHDOG動作CPU復位（熱啟動），控制輸出信號應保持不變。
　　
　　（10）冗余設計
　　
　　采用周期循環輸出控制信號；設置冗余設備采用冗余裁判（3取2、3取中等）邏輯。
　　
　　（11）信號跟蹤
　　
　　通訊線路離線后剛上線時，向控制設備寫出的初始信號應跟蹤控制設備中該信號原來的值。避免因通訊離線、上線，給控制系統造成影響。
　　
　　5、電磁兼容性測試
　　
　　通過試驗檢測控制設備在特定電磁干擾環境下的抗*。要求控制設備在干擾環境下的能正確完成預定的控制功能。若控制設備出現短暫精度下降、復位等現象，只要不對被控對象參數造成不可接受的影響，干擾消失后控制設備能迅速恢復正常，還是可以接受的。不允許控制設備在干擾環境下出現*性失效的情況。
　　
　　（1）靜電放電試驗
　　
　　模擬人體帶電、帶電設備接近或接觸控制設備時通過靜電放電產生的干擾。由于放電電流非常大且持續時間很短，若放電回路中有電子元器件，易將其損壞。電流產生的電磁輻身娜使CPU復位、CPU死機、通訊離線。
　　
　　應對人體所有可能接觸到的金屬部分（外殼、接線端子、接插件）按GB/T17626.2標準要求電壓大小進行接觸放電和空間放電試驗。
　　
　　試驗合格判據：控制設備不損壞、CPU不死機、開關量I/O信號無錯誤、模擬量I/0信號精度不低于1%，干擾消失后控制系統能自動恢復正常。
　　
　　（2）快速瞬變脈沖群試驗
　　
　　模擬電網中感性負載切除時產生的脈沖干擾。干擾信號通過電源線、I/0信號線傳導進控制設備，若處理不當易造成I/0信號誤差、通訊離線、CPU死機等現象。
　　
　　按GB/T17626.4標準要求對控制設備的電源線、I/O信號線進行快速瞬變脈沖群試驗。
　　
　　試驗合格判據：控制設備不損壞、CPU不死機、開關量I/O信號無錯誤、模擬量I/0信號精度不低于1%，干擾消失后控制系統能自動恢復正常。
　　
　　（3）浪涌沖擊試驗
　　
　　模擬電網中容性負載投入時產生的脈沖干擾。干擾信號通過電源線、I/0信號線傳導進控制設備，若處理不當易造成I/0信號誤差、通訊離線、CPU死機、元器件損壞等現象。
　　
　　按GB/T17626.4標準要求對控制設備的電源線、I/0信號線進行快速瞬變脈沖群試驗。
　　
　　試驗合格判據：控制設備不損壞、CPU不死機、開關量I/O信號無錯誤、模擬量I/0信號精度不低于1%，干擾消失后控制系統能自動恢復正常。
　　
　　（4）電壓暫降試驗
　　
　　模擬電網中大型設備投入時引起的電壓突降現象。電源突降易造成CPU死機、通訊離線等現象。
　　
　　按GB/T17626.10標準要求對控制設備電壓暫降試驗。
　　
　　試驗合格判據：控制設備不損壞、CPU不死機、開關量I/O信號無錯誤、模擬量I/0信號精度不低于1%，干擾消失后控制系統能自動恢復正常。
　　
　　6、總結
　　
　　提高控制系統的兼容性，使其在電磁干擾環境下也能順利完成規定的控制任務具有非常重要的意義。我們在智能透平控制器的開發設計過程中，不僅要正確實現產品規格書所要求的各種控制功能，而且還按照本文介紹的方法考慮產品的電磁兼容性問題。2009年3月生產的*樣機在和利時公司電磁兼容實驗室通過了靜電放電、快速瞬變脈沖群、浪涌沖擊、電壓暫降等實驗室所有的試驗項目嚴格測試。并且*智能透平控制器已在浙江龍游一家電廠投入連續運行，實踐證明該產品功能正常、性能穩定可靠。