計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性與抗干擾技術(shù)

第五章:可靠性與抗干擾技術(shù)1、提高系統(tǒng)可靠性的措施2、干擾的來源與傳播途徑3、硬件抗干擾措施4、軟件抗干擾措施2021.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的被控變量分布在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個(gè)角落，因而計(jì)算機(jī)是處于干擾頻繁的惡劣環(huán)境中，干擾是有用信號以外的噪聲，這些干擾會(huì)影響系統(tǒng)的測控精度，降低系統(tǒng)的可靠性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行混亂，造成生產(chǎn)事故。但干擾是客觀存在的，所以，人們必須研究干擾，以采取相應(yīng)的抗干擾措施。本章主要討論干擾的來源、傳播途經(jīng)及抗干擾的措施。引言2021.25.1可靠性概述5.1.1可靠性指標(biāo)5.1.2可靠性分析2021.2可靠性指標(biāo)1、可靠度可靠性指標(biāo)2021.22、失效率失效數(shù)失效率微分形式2021.2早期故障期耗損故障期偶然故障期λ(t)失效率使用壽命規(guī)定的失效率abt(時(shí)間)(a)經(jīng)典浴盆曲線

0λ(t)失效率使用壽命期0t(時(shí)間)(b)新浴盆曲線

初始期衰老期2021.2平均故障間隔時(shí)間

MTBF或稱為平均無故障時(shí)間(亦稱故障前平均時(shí)間)MTTF。前者用來描述可修復(fù)的儀器；后者用于描述不可修復(fù)的儀器。一般情況下，都用MTBF來表示，它與可靠率R(t)之間的關(guān)系為

平均修復(fù)時(shí)間和利用率

2021.2可靠性分析1、串聯(lián)系統(tǒng)2、并聯(lián)系統(tǒng)2021.21．系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)程

分析設(shè)計(jì)任務(wù)分析提出可靠性方案比較、確定軟件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)測試、考驗(yàn)試運(yùn)行設(shè)想措施可靠性分析軟件措施硬件措施故障評估分析改進(jìn)措施系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)程可靠性考慮方案設(shè)想5.2提高可靠性的措施2021.22、硬件可靠性技術(shù)2021.23、軟件可靠性設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)簡明組態(tài)方式設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器設(shè)置軟件陷阱軟件測試2021.24、故障檢測與別離(1)自檢自檢三種形式:開機(jī)自檢、周期自檢、鍵控自檢自檢項(xiàng)目ROM自檢RAM自檢總線自檢A/D自檢D/A自檢插件自檢顯示面板自檢2021.2(2)冗余配置☆熱備份并聯(lián)冗余法☆冷備份并聯(lián)冗余法2021.25.3干擾源與干擾分類5.3.1干擾的來源5.3.2干擾的傳播途徑2021.2干擾的來源是多方面的，有時(shí)甚至是錯(cuò)綜復(fù)雜的。干擾有的來自外部，有的來自內(nèi)部。外部干擾由使用條件和外部環(huán)境因素決定。外部干擾環(huán)境如下圖，有天電干擾，如雷電或大氣電離作用以及其他氣象引起的干擾電波；天體干擾，如太陽或其他星球輻射的電磁波；電氣設(shè)備的干擾，如播送電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波，動(dòng)力機(jī)械、高頻爐、電焊機(jī)等都會(huì)產(chǎn)生干擾；此外，熒光燈、開關(guān)、電流斷路器、過載繼電器、指示燈等具有瞬變過程的設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾；來自電源的工頻干擾也可視為外部干擾。

干擾的來源2021.22021.2內(nèi)部干擾那么是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝所引入的。內(nèi)部干擾環(huán)境如下圖，有分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場輻射感應(yīng)，長線傳輸造成的波反射；多點(diǎn)接地造成的電位差引入的干擾；裝置及設(shè)備中各種寄生振蕩引入的干擾以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引入的干擾；甚至元器件產(chǎn)生的噪聲等。內(nèi)部干擾環(huán)境2021.22021.2干擾的傳播途徑

干擾傳播的途徑主要有三種：靜電耦合，磁場耦合，公共阻抗耦合。1．靜電耦合2021.2靜電耦合是電場通過電容耦合途徑竄入其它線路的。兩根并排的導(dǎo)線之間會(huì)構(gòu)成分布電容，如印制線路板上印制線路之間、變壓器繞線之間都會(huì)構(gòu)成分布電容。圖中給出兩根平行導(dǎo)線之間靜電耦合的示意電路，Cl2是兩個(gè)導(dǎo)線之間的分布電容，C1g、C2g是導(dǎo)線對地的電容，R是導(dǎo)線2對地電阻。如果導(dǎo)線1上有信號U1存在，那么它就會(huì)成為導(dǎo)線2的干擾源，在導(dǎo)線2上產(chǎn)生干擾電壓U2。顯然，干擾電壓U2與干擾源U1、分布電容C1g、C2g的大小有關(guān)。2021.2空間的磁場耦合是通過導(dǎo)體間的互感耦合進(jìn)來的。在任何載流導(dǎo)體周圍空間中都會(huì)產(chǎn)生磁場，而交變磁場那么對其周圍閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢。如設(shè)備內(nèi)部的線圈或變壓器的漏磁會(huì)引起干擾，還有普通的兩根導(dǎo)線平行架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生磁場干擾。2．磁場耦合2021.2如果導(dǎo)線1為承載著10kVA、220V的交流輸電線，導(dǎo)線2為與之相距1米并平行走線10米的信號線，兩線之間的互感M會(huì)使信號線上感應(yīng)到的干擾電壓U2高達(dá)幾十毫伏。如果導(dǎo)線2是連接熱電偶的信號線，那么這幾十毫伏的干擾噪聲足以淹沒熱電偶傳感器的有用信號。2021.2公共阻抗耦合發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路，從而產(chǎn)生干擾噪聲的影響。3．公共阻抗耦合

在一塊印制電路板上，運(yùn)算放大器A1和A2是兩個(gè)獨(dú)立的回路，但都接入一個(gè)公共電源，電源回流線的等效電阻R1、R2是兩個(gè)回路的公共阻抗。當(dāng)回路電流I1變化時(shí)，在R1和R2上產(chǎn)生的電壓降變化就會(huì)影響到另一個(gè)回路電流I2。反之，也如此。2021.25.4硬件抗干擾措施引言5.4.1串模干擾的抑制5.4.2共模干擾的抑制長線傳輸干擾的抑制

5.4.4信號線的選擇與敷設(shè)

5.4.5電源系統(tǒng)的抗干擾

5.4.6接地系統(tǒng)的抗干擾

2021.2引言

了解了干擾的來源與傳播途徑，我們就可以采取相應(yīng)的抗干擾措施。在硬件抗干擾措施中，除了按照干擾的三種主要作用方式——串模、共模及長線傳輸干擾來分別考慮外，還要從布線、電源、接地等方面考慮。2021.2串模干擾是指迭加在被測信號上的干擾噪聲，即干擾源串聯(lián)在信號源回路中。其表現(xiàn)形式與產(chǎn)生原因如下圖。圖中Us為信號源，Un為串模干擾電壓，鄰近導(dǎo)線(干擾線)有交變電流Ia流過，由Ia產(chǎn)生的電磁干擾信號就會(huì)通過分布電容C1和C2的耦合，引至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入端。6.4.1串模干擾的抑制2021.2對串模干擾的抑制較為困難，因?yàn)楦蓴_Un直接與信號Us串聯(lián)。目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。2021.21．雙絞線做信號引線雙絞線是由兩根互相絕緣的導(dǎo)線扭絞纏繞組成，為了增強(qiáng)抗干擾能力，可在雙絞線的外面加金屬編織物或護(hù)套形成屏蔽雙絞線，圖中給出了帶有屏蔽護(hù)套的多股雙絞線實(shí)物圖。2021.2采用雙絞線作信號線的目的，就是因?yàn)橥饨珉姶艌鰰?huì)在雙絞線相鄰的小環(huán)路上形成相反方向的感應(yīng)電勢，從而互相抵消減弱干擾作用。雙絞線相鄰的扭絞處之間為雙絞線的節(jié)距，雙絞線不同節(jié)距會(huì)對串模干擾起到不同的的抑制效果，見表6-1。雙絞線可用來傳輸模擬信號和數(shù)字信號，用于點(diǎn)對點(diǎn)連接和多點(diǎn)連接應(yīng)用場合，傳輸距離為幾公里，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2Mbps。2021.2表6-1雙絞線節(jié)距對串模干擾的抑制效果節(jié)距(mm)干擾衰減比屏蔽效果10014:1237571:13750112:14125141:143平行線1:102021.22．引入濾波電路采用硬件濾波器抑制串模干擾是一種常用的方法。根據(jù)串模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性，可以選用具有低通、高通、帶通等濾波器。其中，如果干擾頻率比被測信號頻率高，那么選用低通濾波器；如果干擾頻率比被測信號頻率低，那么選用高通濾波器；如果干擾頻率落在被測信號頻率的兩側(cè)時(shí)，那么需用帶通濾波器。一般采用電阻R、電容C、電感L等無源元件構(gòu)成濾波器，2021.2圖a所示為在模擬量輸入通道中引入的一個(gè)無源二級阻容低通濾波器，但它的缺點(diǎn)是對有用信號也會(huì)有較大的衰減。為了把增益與頻率特性結(jié)合起來，對于小信號可以采取以反響放大器為根底的有源濾波器，它不僅可以到達(dá)濾波效果，而且能夠提高信號的增益，如圖b所示。2021.25.4.2共模干擾的抑制測量電路接地端〔儀器地〕和檢測裝置〔傳感器〕接地端〔信號地〕存在干擾電壓。原因：(1)大地上電位分布 (2)接地漏電流，測量電路內(nèi)部的漏電流(3)變壓器原、副邊之間雜散電容2021.22021.2共模電壓Vc對放大器的影響，實(shí)際上是轉(zhuǎn)換成串模干擾的形式參加到放大器輸入端而起作用的。單端輸入(b)雙端輸入圖

單端和雙端輸入時(shí)共模電壓的引入2021.2共模干擾抑制比(CMRR)作用在測量系統(tǒng)的實(shí)際共模干擾信號在信號輸入端所呈現(xiàn)的差模干擾信號2021.22021.21．變壓器隔離利用變壓器把現(xiàn)場信號源的地與計(jì)算機(jī)的地隔離開來，也就是把“模擬地〞與“數(shù)字地〞斷開。被測信號通過變壓器耦合獲得通路，而共模干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，以切斷兩局部的地線聯(lián)系2021.2光電耦合器是由發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一個(gè)管殼內(nèi)組成的,發(fā)光二極管兩端為信號輸入端,光敏三極管的集電極和發(fā)射極分別作為光電耦合器的輸出端,它們之間的信號傳輸是靠發(fā)光二極管在信號電壓的控制下發(fā)光,傳送給光敏三極管來完成的.另外,為保證線性耦合,既要嚴(yán)格挑選光電耦合器,又要采取相應(yīng)的非線性校正措施,否那么將產(chǎn)生較大的誤差.光電隔離前后電路應(yīng)分別是采用兩組獨(dú)立的電源.如圖:2．光電隔離2021.22021.2浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號的“模擬地〞浮空，使共模輸入阻抗大為提高，共模電壓在輸入回路中引起的共模電流大為減少，從而抑制了共模干擾的來源，使共模干擾降至很低，以下圖給出了一種浮地輸入雙層屏蔽放大電路。3．浮地屏蔽2021.21、計(jì)算機(jī)局部采用內(nèi)外兩層屏蔽，且內(nèi)屏蔽層對外屏蔽層(機(jī)殼地)是浮地的，而內(nèi)層與信號源及信號線屏蔽層是在信號端單點(diǎn)接地的，被測信號到控制系統(tǒng)中的放大器是采用雙端差動(dòng)輸入方式。圖中，Zs1、Zs2為信號源內(nèi)阻及信號引線電阻，Zs3為信號線的屏蔽電阻，Zc2為放大器輸入端對內(nèi)屏蔽層的漏阻抗，Zc3為內(nèi)屏蔽層與外屏蔽層之間的漏阻抗。2021.2共模電壓Ucm首先在進(jìn)入到放大器以前將進(jìn)行一次第一次衰減，轉(zhuǎn)變?yōu)閁c12021.2信號在長線中傳輸會(huì)遇到三個(gè)問題長線傳輸易受到外界干擾具有信號延時(shí)高速度變化的信號在長線中傳輸時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。長線傳輸干擾的抑制由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號會(huì)在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進(jìn)的電壓波和電流波，稱為入射波信號終端阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，形成反射波2021.2為了進(jìn)行阻抗匹配，必須事先知道傳輸線的波阻抗Rp2021.2１、無源終端匹配：在傳輸線終端串入電阻R＝Rp

２、有源終端匹配：在傳輸線終端串入電阻R＝Rp

３、始端匹配：在傳輸線始端串入電阻R＝Rp

2021.2屏蔽線的使用；同軸電纜的使用；雙絞線的使用；扁平帶狀電纜的使用2021.25.4.4信號線的選擇與敷設(shè)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，信號線的選擇與敷設(shè)也是個(gè)不容無視的問題。如果能合理地選擇信號線，并在實(shí)際施工中又能正確地敷設(shè)信號線，那么可以抑制干擾；反之，將會(huì)給系統(tǒng)引入干擾，造成不良影響。1．信號線的選擇對信號線的選擇，一般應(yīng)從抗干擾和經(jīng)濟(jì)實(shí)用這幾個(gè)方面考慮，而抗干擾能力那么應(yīng)放在首位。不同的使用現(xiàn)場，干擾情況不同，應(yīng)選擇不同的信號線。在不降低抗干擾能力的條件下，應(yīng)該盡量選用價(jià)錢廉價(jià)，敷設(shè)方便的信號線。2021.2〔1〕信號線類型的選擇在精度要求高、干擾嚴(yán)重的場合，應(yīng)當(dāng)采用屏蔽信號線。表中列出幾種常用的屏蔽信號線的結(jié)構(gòu)類型及其對干擾的抑制效果。屏蔽結(jié)構(gòu)干擾衰減比屏蔽效果（dB）備注銅網(wǎng)（密度85%）103：140.3電纜的可撓性好，適合近距離使用銅帶迭卷（密度90%）376：151.5帶有焊藥，易接地，通用性好鋁聚酯樹脂帶迭卷6610：176.4應(yīng)使用電纜溝，抗干擾效果最好2021.2有屏蔽層的塑料電纜是按抗干擾原理設(shè)計(jì)的，幾十對信號在同一電纜中也不會(huì)互相干擾。屏蔽雙絞線與屏蔽電纜相比性能稍差，但波阻抗高、體積小、可撓性好、裝配焊接方便，特別適用于互補(bǔ)信號的傳輸。雙絞線之間的串模干擾小、價(jià)格低廉，是計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)系統(tǒng)常用的傳輸介質(zhì)?！?〕信號線粗細(xì)的選擇從信號線價(jià)格、強(qiáng)度及施工方便等因素出發(fā)，信號線的截面積在2mm2以下為宜，一般采用1.5mm2和1.0mm2兩種。采用多股線電纜較好，其優(yōu)點(diǎn)是可撓性好，適宜于電纜溝有拐角和狹窄的地方。2021.22．信號線的敷設(shè)選擇了適宜的信號線，還必須合理地進(jìn)行敷設(shè)。否那么，不僅達(dá)不到抗干擾的效果，反而會(huì)引進(jìn)干擾。信號線的敷設(shè)要注意以下事項(xiàng)：〔1〕模擬信號線與數(shù)字信號線不能合用同一根電纜，要絕對防止信號線與電源線合用同一根電纜?！?〕屏蔽信號線的屏蔽層要一端接地，同時(shí)要防止多點(diǎn)接地。2021.2〔3〕信號線的敷設(shè)要盡量遠(yuǎn)離干擾源，如防止敷設(shè)在大容量變壓器、電動(dòng)機(jī)等電器設(shè)備的附近。如果有條件，將信號線單獨(dú)穿管配線，在電纜溝內(nèi)從上到下依次架設(shè)信號電纜、直流電源電纜、交流低壓電纜、交流高壓電纜?！?〕信號電纜與電源電纜必須分開，并盡量防止平行敷設(shè)。如果現(xiàn)場條件有限，信號電纜與電源電纜不得不敷設(shè)在一起時(shí)，那么應(yīng)滿足以下條件：2021.2①電纜溝內(nèi)要設(shè)置隔板，且使隔板與大地連接，如圖〔a〕所示。②電纜溝內(nèi)用電纜架或在溝底自由敷設(shè)時(shí)，信號電纜與電源電纜間距一般應(yīng)在15cm以上，如圖〔b〕〔c〕所示；如果電源電纜無屏蔽，且為交流電壓220VAC、電流10A時(shí)，兩者間距應(yīng)在60cm以上。③電源電纜使用屏蔽罩，如圖8-17〔d〕所示。2021.22021.25.4.5電源系統(tǒng)的抗干擾計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般是由交流電網(wǎng)供電，電網(wǎng)電壓與頻率的波動(dòng)將直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。實(shí)踐說明，電源的干擾是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾，抑制這種干擾的主要措施有以下幾個(gè)方面。2021.2理想的交流電應(yīng)該是50HZ的正弦波。但事實(shí)上，由于負(fù)載的變動(dòng)如電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等電器設(shè)備的啟停，甚至日光燈的開關(guān)都可能造成電源電壓的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電源正弦波上出現(xiàn)尖峰脈沖，這種尖峰脈沖，幅值可達(dá)幾十甚至幾千伏，持續(xù)時(shí)間也可達(dá)幾毫秒之久，容易造成計(jì)算機(jī)的“死機(jī)〞，甚至?xí)p壞硬件，對系統(tǒng)威脅極大。在硬件上可以用以下方法加以解決。1．交流電源系統(tǒng)2021.22021.2(1)選用供電比較穩(wěn)定的進(jìn)線電源計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電源進(jìn)線要盡量選用比較穩(wěn)定的交流電源線，至少不要將控制系統(tǒng)接到負(fù)載變化大、晶閘管設(shè)備多或者有高頻設(shè)備的電源上。〔2〕利用干擾抑制器消除尖峰干擾干擾抑制器使用簡單，利用干擾抑制器消除尖峰干擾的電路。干擾抑制器是一種無源四端網(wǎng)絡(luò)，目前已有產(chǎn)品出售。2021.2〔3〕采用交流穩(wěn)壓器穩(wěn)定電網(wǎng)電壓計(jì)算機(jī)控制的交流供電系統(tǒng)一般如下圖。圖中交流穩(wěn)壓器是為了抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，交流穩(wěn)壓器能把輸出波形畸變控制在5％以內(nèi)，還可以對負(fù)載短路起限流保護(hù)作用。低通濾波器是為了濾除電網(wǎng)中混雜的高頻干擾信號，保證50HZ基波通過。2021.2〔4〕利用UPS保證不中斷供電電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降等掉電事件會(huì)使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，是可能產(chǎn)生嚴(yán)重事故的惡性干擾。對于要求更高的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以采用不間斷電源即UPS向系統(tǒng)供電，如以下圖所示。2021.2圖不間斷電源ＵＰＳ供電系統(tǒng)正常情況下由交流電網(wǎng)通過交流穩(wěn)壓器、切換開關(guān)、直流穩(wěn)壓器供電至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；同時(shí)交流電網(wǎng)也給電池組充電。所有的UPS設(shè)備都裝有一個(gè)或一組電池和傳感器，并且也包括交流穩(wěn)壓設(shè)備。如果交流供電中斷，系統(tǒng)中的斷電傳感器檢測到斷電后就會(huì)將供電通路在極短的時(shí)間內(nèi)〔3ms〕切換到電池組，從而保證流入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電流不因停電而中斷。這里，逆變器能把電池直流電壓逆變到正常電壓頻率和幅度