计算机控制技术第7章计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术课件

第7章

计算机控制系统

的抗干扰与可靠性技术

7/23/20231主要内容7.1干扰源与干扰耦合方式7.2空间抗干扰的措施7.3过程通道的抗干扰措施7.4系统供电与接地的抗干扰措施7.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施7.6提高计算机控制系统的可靠性措施7/23/20232概述干扰的概念就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。现场情况计算机控制系统的工作环境恶劣，干扰频繁，如不加以抑制，将会影响到计算机控制系统的可靠性和稳定性。许多从事计算机控制工程的人员都有这样的经历，在实验室里通过硬件和软件的调试、已能正常模拟生产运行控制的计算机控制系统，一到现场就不能正常工作，出现一些让人不知所措、莫名其妙的问题，有的时好时坏，有的甚至一开机就失灵。7/23/20233概述抗干扰技术对于计算机控制系统的重要性

在对系统的状态参数进行测量的过程中，干扰信号会使测量结果产生误差，依照此测量结果而运算出的控制命令是不正确的，在按照给定的控制规律进行运算的过程中，干扰信号可能导致误操作。而且现代计算机控制系统在结构方面的特点，使抗干扰技术越来越显得重要。系统的各个装置已经小型化、集成化、数字化，然而在极小的空间内却容纳并处理着大量的信息，同时系统还要实施各种控制。其结果是抵御干扰的能力自然会有所下降。另外，系统采用大量的低电平信号电路，致使干扰的作用更加明显。7/23/20234概述抗干扰的方法：硬件措施软硬件结合软件措施各自的优缺点软件抗干扰措施往往是以CPU的开销为代价的，这会影响到系统的工作效率和实时性；硬件抗干扰措施的效率高，但会增加系统的投资和设备的负担。因此，成功而有效的抗干扰措施是由硬件和软件相结合构成的。7/23/202355.1干扰源与干扰耦合方式5.1.1干扰来源：1、电源干扰

浪涌：大功率设备的启动和停止（额度15%左右，持续时间长）尖峰：大功率设备的启动和停止（额度大，持续时间短）噪声：天线效应断电：电网调度高压切换中的瞬间断电

浪涌保护器天线效应7/23/20236

2、空间干扰*静电和电场的干扰*磁场的干扰（电磁感应）*电磁辐射的干扰（通讯平台的电磁波）3、设备干扰设备干扰是指设备内部或设备之间产生的干扰——共模干扰和差模干扰

以上三种干扰，尤以来自交流电源的干扰最为严重，其次为设备干扰特别是来自通道的干扰，再次为来自空间的辐射干扰，因为它相对地不太突出，只要采取适当的屏蔽措施就可以获得比较满意的效果。7/23/202377.1.2干扰信号的耦合方式

1、静电耦合方式两根导线之间的电容性耦合

(当两根导线平行的放置至一定距离时,该两根导线之间的电容就构成了他们相互间的电容性耦合。其作用机理是一根导线在另一根导线的静电电场中时，必然受到该电场的影响。）

7/23/202387.1.2干扰信号的耦合方式

2、电磁耦合方式两个电路间的电磁耦合

（在载流电路周围空间中会产生磁场，在其周围的闭合电路将受交变磁场的影响而产生感应电动势并形成感应电流。在设备内部，线圈或变压器的漏磁就是一个很大的干扰源；在设备外部，当两根导线在较长的距离内敷设或架设时，将产生电磁耦合干扰。）

7/23/202397.1.2干扰信号的耦合方式

3、共阻抗耦合方式两个电路的电流流经一个公共阻抗时会相互影响

（当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上所产生的电压降会影响到另一个电路。）

7/23/2023107.1.2干扰信号的耦合方式

4、电磁场辐射耦合方式

高频电流流经导体时，在该导体周围产生电力线和磁感应线，使流动电荷产生相应频率的电动势。另外，过长的信号线及控制线会有天线效应，既能接收干扰波，又能辐射干扰波。

7/23/2023117.2空间抗干扰的措施空间感应：包括静电场-高频电磁场-磁场引起的干扰解决方法：采用隔离-屏蔽-接地等方法7/23/2023127.2空间抗干扰的措施屏蔽的基本概念：屏蔽主要用来解决电磁干扰，它将电力线或磁感应线的影响限定在某个范围之内或阻止它们进入某个范围。屏蔽的目的：隔断场的耦合、抑制场的干扰。屏蔽的分类：静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽静电屏蔽电磁屏蔽磁屏蔽7/23/2023137.2空间抗干扰的措施三种屏蔽针对的对象电场屏蔽：主要解决由于分布电容耦合引入的电场干扰问题，因此屏蔽体应对干扰呈低阻抗，屏蔽层应放在干扰源和敏感电路之间，而且必须将屏蔽体接地。屏蔽体一般用良导体如铜和铝构成，还要注意屏蔽的连续性。电磁屏蔽：主要克服高频电磁场干扰，它利用良好导体在电磁场内产生涡流效应来削弱电磁场的干扰。磁屏蔽：主要用来防止低频磁通的干扰，它是利用高导磁材料，如坡莫合金、铁氧体等将敏感电路包围，使干扰磁场短路。7/23/2023147.2空间抗干扰的措施空间感应的抗干扰措施空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层，注意屏蔽层不能随意接地。高电平线和低电平线不要走同一电缆，也不要走同一插件，不得已时可以将高电平线和低电平线分立两边，中间留备用线或地线。模拟信号线与数字信号线不要走同一根电缆。信号线和电源线要分开，尽量避免平行敷设。注意屏蔽的连续性。即不要使屏蔽体中间断开或使屏蔽体与被屏蔽体过早分离。采用双绞线或同轴电缆，可以大大减小电磁干扰。有条件的地方，还可以采用性能更优越的光导纤维。7/23/2023157.3过程通道的抗干扰措施强烈的干扰往往沿着过程通道进入计算机，其主要原因就是过程通道与计算机之间存在公共地线，而且首当其冲是A/D和各种输入装置。所以要求这些设备有很强的抗干扰能力，而且要设法削弱来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰性能。干扰的作用形式：串模干扰和共模干扰7/23/2023167.3过程通道的抗干扰措施1、串模干扰及其抑制叠加在被检测信号上的干扰信号称为串模干扰。一般情况下，被测信号的变化比较缓慢，而串模干扰信号的主要成分是50HZ的工频和特殊的高次谐波，且通过电磁耦合和漏电等传输方式叠加到信号或引线上形成干扰。（1）采用输入滤波器（2）进行电磁屏蔽和良好的接地串模干扰示意图二级阻容滤波器网络7/23/2023177.3过程通道的抗干扰措施2、共模干扰及其抑制共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存在共模电压以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。（1）采用差分放大器做信号前置放大（做到线路平衡）

共模干扰示意图差分输出级示意图7/23/2023187.3过程通道的抗干扰措施（2）采用隔离技术将地电位隔开（使共模干扰电压不能形成回路）

隔离放大器脉冲光电耦合7/23/2023197.3过程通道的抗干扰措施（3）利用浮地屏蔽采用双层屏蔽三线采样浮地隔离放大器来抑制共模干扰电压，其实质在于提高了共模输入阻抗，减少了共模电压在输入回路中引起的共模电流，从而抑制共模干扰的来源。双层浮地屏蔽保护原理图7/23/2023207.4系统供电与接地的抗干扰措施7.4.1系统供电的抗干扰措施计算机控制系统一般由交流电网供电。电网的干扰、频率的波动将直接影响到系统的可靠性与稳定性。此外，在系统运行过程中，计算机的供电不允许中断，否则不但会使计算机丢失数据，还会影响生产，因此，必须考虑采取电源保护措施，防止电源干扰，并保证不间断地供电。

1、供电系统的一般保护

2、电源异常的保护（具有不间断电源的供电结构）7/23/2023217.4系统供电与接地的抗干扰措施7.4.2系统接地的抗干扰措施

接地的目的：一：抑制干扰（工作接地）二：保护计算机、电器设备和操作人员的安全（保护接地）

工作接地：主要是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地形成环路引起干扰；

保护接地：主要是为了避免操作人员因绝缘层的损坏而发生触电危险以及保证设备的安全。

7/23/2023227.4系统供电与接地的抗干扰措施7.4.2系统接地的抗干扰措施

1、接地系统分析模拟地：系统中的传感器、变送器、放大器等设备中模拟电路的零电位。数字地：计算机中各种数字电路的零电位。安全地：其目的是让设备机壳与大地等电位，以免因机壳带电而影响人身及设备安全。系统地：上述几类地的最终回流点，直接与大地相连。交流地：计算机交流供电电源地，即动力线地。7/23/2023237.4系统供电与接地的抗干扰措施

根据接地理论，低频电路（频率小于1MHZ）应单点接地，高频电路（频率大于10MHZ）应就近多点接地。介于低频与高频之间时，单点接地的地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。在计算机控制系统中，一般对上述各类地采用分别回流法单点接地。7/23/2023247.4系统供电与接地的抗干扰措施2、低频接地技术由于实际的计算机控制系统中信号频率大部分在1MHZ以下，所以低频接地技术在计算机控制系统中应用极为广泛。一点接地技术：串联接地：各电路间容易相互发生干扰，但结构简单并联接地：不会因地电流而引起各电路间的耦合，但需要很多地线7/23/2023257.4系统供电与接地的抗干扰措施

实用的低频接地技术：

为兼顾噪声标准和简单易行，一般在低频时采用串联一点接地的综合接法，即分组接法，将低电平电路经一组共同的地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地，也就是说在同一组中的电路功率、噪声电平平均相差不大。7/23/2023267.4系统供电与接地的抗干扰措施3、输入通道的接地技术（1）电路一点地基准

实际的模拟量通道可以简化成由信号源、输入馈线和输入放大器三部分组成。由于各处接地体几何形状、材料、埋地深度都不可能完全相同，土壤的电阻率等因地层结构各异也相差较大，使接地电阻和接地电位可能产生很大差异。如果采用多点接地，会产生磁场耦合和环流噪声干扰。因此，应采用电路一点地基准。即单点接地。（2）电缆屏蔽层的接地

当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。7/23/2023277.4系统供电与接地的抗干扰措施4、主机外壳接地机芯浮空是为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地。5、多机系统的接地在计算机网络系统中，多台计算机相互通信，共享资源，如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。常见多机系统采用多机一点接地的方法。7/23/2023287.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施在计算机控制系统内部使用监控定时器Watchdog技术是一种防止尖峰脉冲干扰的有效方法。当侵入的尖峰脉冲干扰使程序编码的某一位（或数位）发生改变时，程序所呈现的外在表现可能为“飞掉”。此时，利用监控定时器Watchdog技术可以帮助系统自动地恢复正常运行。7/23/2023297.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施1、监控定时器Watchdog的工作原理

设有两个定时器TM1和TM2，它们的定时周期分别被设置为T1和T2，且T1<T2，TM1和TM2在到达各自的定时周期时，将分别发出定时到溢出脉冲P1、P2。该两个定时器由同一个时钟脉冲PC推动，并且由定时器TM1的溢出脉冲P1同时对两个定时器TM1和TM2进行清零复位。只要定时器TM1工作正常，即每隔T1定时发出脉冲P1，则定时器TM2总是不会计时到T2，从而总是不能发出溢出脉冲P2。只有当定时器TM1因故障而不能够正确计时从而使溢出脉冲P1不能够准时发出时，定时器TM2才将计时到T2从而发出溢出脉冲P2。一旦产生溢出脉冲P2，则表明定时器TM1发生了故障。7/23/2023307.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施1、监控定时器Watchdog的工作原理在计算机控制系统的实际应用中，T1不是由定时器产生，而是应用程序产生的，它就是应用程序的运行周期。定时器TM2就是监控定时器Watchdog。利用溢出脉冲P2并附加必要的程序设计，可以检测系统的出错，使应用程序重新恢复正常运行或使系统复位后恢复运行。下图为监控定时器Watchdog的构成原理图。7/23/2023317.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施2、监控定时器Watchdog的实现方法监控定时器Watchdog的具体实现方法，可以采用硬件电路，也可以采用软件程序，从可靠性方面来考虑，采用硬件电路实现监控定时器Watchdog比较好。下图为监控定时器硬件实现方案：由计数器及其与CPU之间适当的输入/输出接口电路构成。7/23/2023327.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施2、监控定时器Watchdog的实现方法两级监控定时器Watchdog的连接方式如下图所示。设两个监控定时器，一个输出OUT1的定时设定为T1，另一个输出OUT2的定时设定为T2，且使T1<T2。OUT1接到CPU的不可屏蔽中断NMI，OUT2接到CPU的复位端RESET。这样，每隔T1引起一次NMI操作，而在T1到T2之间，CPU必须访问定时器一次以重新启动它，否则到达T2时间，定时器将产生溢出脉冲引起CPU复位。7/23/2023337.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施3、监控定时器Watchdog用于用户程序的自动恢复应用一7/23/2023347.5采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施4、监控定时器Watchdog用于硬件故障的检测

利用硬件故障的外在表现，可以在程序设计时作出类似这样的判断程序：凡在某个规定的时间间隔内连续数次出错即可判断为硬件故障，并产生故障报警信号，从而促使采用人工方法进行故障诊断并予以修复。应用二7/23/2023357.6提高计算机控制系统的

可靠性措施计算机控制系统已大量应用于工业生产过程的控制和管理。随着工业规模的不断扩大，对计算机控制系统可靠性的要求也越来越高。通过计算机控制系统硬件和软件的可靠性设计取得了明显的效果。7/23/2023367.6提高计算机控制系统的

可靠性措施7.6.1可靠性与可靠性指标

计算机控制系统的发展史就是一部不断提高系统可靠性的历史。从DDC到DCS、FCS的设计思想就是把危险分散，使局部故障的发生不影响全局的运行；高集成度的LSI是提高MTBF的重要措施；标准化、冗余技术、自诊断技术、容错技术、加密技术等新技术的开发都大大提高了系统的可靠性。7/23/2023377.6提高计算机控制系统的

可靠性措施7.6.1可靠性与可靠性指标

可靠性（广义）：指机器、零件或系统，在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。（包含可维修性）