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0 引言

計(jì)算機(jī)用于工控自動(dòng)化，對(duì)于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量、節(jié)約能源和材料、保障生產(chǎn)安全和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理等等方面都具有重要的作用，是直接提高經(jīng)濟(jì)效益、最具發(fā)展?jié)摿Φ闹卮箢I(lǐng)域。工業(yè)控制機(jī)要成功地運(yùn)行，并產(chǎn)生預(yù)期的效益，是一個(gè)多因素且頗具難度的系統(tǒng)工程。根據(jù)我多年來的工控研究經(jīng)驗(yàn)，其抗干擾性能是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。它與工控機(jī)應(yīng)具有一個(gè)好的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及有效的控制對(duì)策同算法同樣重要，都關(guān)系到控制項(xiàng)目的成敗。

工業(yè)控制機(jī)抗干擾技術(shù)主要包含:①電源抗干擾技術(shù)；②屏蔽和接地抗干擾技術(shù)；③輸入/輸出通道抗干擾技術(shù)；④通信抗干擾技術(shù)；⑤軟件抗干擾技術(shù)。本文主要討論電源抗干擾技術(shù)。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)種類繁多的加工機(jī)械和動(dòng)力設(shè)備的啟停運(yùn)轉(zhuǎn)如電焊和電火花加工、晶閘管調(diào)壓、變頻設(shè)備等等，都是干擾源。這些干擾源既能以電磁場(chǎng)方式作用到工控機(jī)系統(tǒng)上，又能通過電源侵入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)造成干擾。而通過電源造成干擾是最直接的，甚至是破壞性的，占工業(yè)控制機(jī)被干擾的絕大比例。雷擊對(duì)工控機(jī)造成的干擾和破壞，大多數(shù)也是從電源入侵的。因此，要提高工業(yè)控制系統(tǒng)的抗干擾性能，首先要在電源上下功夫。

1 過壓、欠壓、失壓保護(hù)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的供電品質(zhì)很差，常常不能達(dá)到國(guó)家對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)等級(jí)中規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)C級(jí)。表1列出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)等級(jí)的規(guī)定。當(dāng)供電電壓超過C 級(jí)規(guī)定時(shí)，通常稱為過壓或者欠壓。而失壓又稱瞬時(shí)斷電。產(chǎn)生瞬時(shí)斷電，最常見的原因是用電設(shè)備突然短路而它的保險(xiǎn)絲還沒有熔斷的瞬間。另外開關(guān)或刀閘觸點(diǎn)接觸不良或顫抖等也會(huì)產(chǎn)生瞬間斷電。瞬間斷電所允許時(shí)間國(guó)內(nèi)尚無標(biāo)準(zhǔn)，表2列出了日本《工業(yè)用計(jì)算機(jī)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的瞬間斷電級(jí)別。

當(dāng)過壓或者欠壓超過工控機(jī)電源工作范圍時(shí)，會(huì)使電源失常或者損壞，直接威脅工控機(jī)的安全。而瞬時(shí)過壓或者欠壓形成涌流，即使不超過工控機(jī)電源的工作范圍，也會(huì)造成很強(qiáng)的干擾和破壞性。我們?cè)谀充搹S的控制項(xiàng)目的安裝調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，煉鋼電爐的電極升降，或者大電機(jī)啟停，常常造成近百伏的瞬時(shí)過壓或者欠壓(車間400V低壓側(cè)供電)。克服過壓、欠壓的方法是選用寬電壓范圍的優(yōu)質(zhì)開關(guān)電源，或者外加交流穩(wěn)壓器、UPS電源以及在工控機(jī)內(nèi)設(shè)置欠壓、掉電保護(hù)電路等抗干擾措施。

1.1 開關(guān)電源

開關(guān)電源是把220V交流供電直接整流濾波之后，再采用20kHz頻率的脈寬調(diào)制型振蕩變換為交流，通過高頻變壓器隔離變換，再整流變?yōu)橛?jì)算機(jī)所需要的多種直流電壓輸出。由于甩掉了傳統(tǒng)的工頻變壓器，因此具有體積小、效率高、電網(wǎng)電壓寬范圍變化時(shí)輸出不易過電壓或欠電壓的優(yōu)點(diǎn)。目前，做得好的開關(guān)電源能夠在100V～300V寬范圍正常工作，完全不需要再使用交流穩(wěn)壓器。由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，開關(guān)電源抗雷擊的能力比普通電源強(qiáng)，抗電網(wǎng)1個(gè)周期內(nèi)的失壓能力也比普通電源強(qiáng)。因此，工業(yè)控制機(jī)應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的開關(guān)電源，而不應(yīng)當(dāng)再使用傳統(tǒng)的變壓器降壓電源。

1.2 交流穩(wěn)壓器

交流穩(wěn)壓器的類型和產(chǎn)品都很多，有電子式、鐵磁諧振式、分接開關(guān)式、伺服調(diào)整式和電源凈化器等等。它們的共同特點(diǎn)是把電網(wǎng)電壓波動(dòng)±10%甚至±15%的范圍穩(wěn)定到±1%～±2%以內(nèi)。選用時(shí)應(yīng)優(yōu)選具備抗電網(wǎng)干擾能力，或者原、副邊具有隔離的類型。例如電源凈化器(也稱凈化電源)，采用大功率的LC濾波器，若在輸入端加入3kV尖峰干擾，在輸出端只有低于3V的輸出。除了具有抑制尖峰干擾性能之外，對(duì)半周失壓、過壓、欠壓等干擾有極好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。鐵磁諧振方式的交流穩(wěn)壓器有很好的電網(wǎng)抗干擾能力和原、副邊隔離，可靠性很高，只是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用這兩種類型的交流穩(wěn)壓器效果較好。

1.3 UPS(Uninterruptible Power System)

UPS，即不間斷電源。UPS最適合的應(yīng)用領(lǐng)域是電網(wǎng)突然掉電，而計(jì)算機(jī)不能停止工作或者需要一個(gè)充足的時(shí)間保護(hù)重要數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前的UPS除了不間斷供電之外，還具備過壓、欠壓保護(hù)功能，軟件監(jiān)控功能等等。其中在線式的UPS還具備與電網(wǎng)隔離、強(qiáng)抗干擾特性，是高可靠性控制系統(tǒng)的最佳選擇。圖1示出了工業(yè)控制系統(tǒng)使用UPS的正確方法。正常工作時(shí)，電子開關(guān)K接到觸點(diǎn)1上，工控系統(tǒng)由UPS逆變供電，一旦UPS發(fā)生故障，電子開關(guān)K立即轉(zhuǎn)換到觸點(diǎn)2上，由市電供電。這種正常情況下由UPS逆變供電，市電作為備用的方法是最有效的電源抗干擾方法。因?yàn)閁PS逆變的輸出電壓非常穩(wěn)定干凈，完全隔離了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)供電電源的各種干擾污染，而且抗雷擊效果也較其他的方式好。由于逆變器輸出的交流電壓與市電同步鎖相，因此，開關(guān)由1切換到2位置時(shí)，不會(huì)引起大的干擾。

圖1 工業(yè)控制系統(tǒng)使用UPS的正確方法

2 電網(wǎng)尖峰脈沖干擾的防治

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電網(wǎng)污染嚴(yán)重。但對(duì)工業(yè)控制機(jī)來說，危害最嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾。圖2示出了尖峰脈沖的形狀。在煉鋼廠、 軋鋼廠或者大量使用晶閘管設(shè)備、電火花設(shè)備、電力機(jī)車等地方，這種尖峰干擾為害尤厲。其幅度大的可達(dá)數(shù)百伏甚至上千伏，而脈寬一般為μS數(shù)量級(jí)。雷電也常以尖峰脈沖方式入侵。尖峰脈沖幅度很大時(shí)，會(huì)破壞工控機(jī)開關(guān)電源輸入濾波器、整流器甚至主振管。再加之其頻譜很寬，也會(huì)竄入計(jì)算機(jī)造成干擾。對(duì)尖峰脈沖干擾的防治方法，主要有濾波法、隔離法、吸收法和回避法。

圖2 電網(wǎng)正弦波上的尖峰干擾

2.1 濾波法

主要是采用電源濾波器濾除尖峰干擾。圖3示出了典型的電源濾波器原理圖。L1、L2是繞在同一鐵心上的共模軛流圈，對(duì)共模形式的干擾呈現(xiàn)很大的阻抗，而對(duì)工頻和常模形式的干擾電感為零。因此對(duì)圖2所示的形成常模形式的尖峰干擾無效。但電容C1、C2、C3卻對(duì)其有一定的衰減。目前這類產(chǎn)品繁多，大多數(shù)按IEC/CISPR №。17出版物的規(guī)定指標(biāo)生產(chǎn)。例如常州堅(jiān)力電子有限公司生產(chǎn)的D、DZ、PC、K、T、F系列的電源濾波器，對(duì)共模干擾插入衰減，在10～30MHz頻率范圍，可為20～50dB以上。電源濾波器體積小，價(jià)格便宜，但效果一般。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖3 典型的電源濾波器電原理圖

2.2 隔離法

采用1:1隔離變壓器供電是傳統(tǒng)的抗干擾措施，對(duì)電網(wǎng)尖峰脈沖干擾有很好的效果。圖4是典型的隔離變壓器原理圖。它抗干擾的原理是原邊對(duì)高頻干擾呈現(xiàn)很高的阻抗，而位于原邊、副邊繞組之間的金屬屏蔽層又阻隔了原、副邊所產(chǎn)生的分布電容，因此原邊繞組只有對(duì)屏蔽層的分布電容存在，高頻干擾通過這個(gè)分布電容而被旁路入地。

圖4 1:1隔離變壓器屏蔽及接地方式圖
a.單屏蔽層 b.雙屏蔽層

1:1隔變效果的好壞，往往取決于屏蔽層的工藝。最好選用0.2mm厚的紫銅板材，原邊、副邊各加一個(gè)屏蔽層。通常，原邊的屏蔽層通過一個(gè)電容器與副邊的屏蔽層接到一起，再接到副邊的地上。也可以原邊的屏蔽層接原邊的地線，副邊的屏蔽層接副邊的地線。并且接地引線的截面積也要大一些好。1:1隔變還有效地隔離了接地環(huán)路的共模干擾，是個(gè)好辦法，只是體積較大。

2.3 吸收法

就是使用一種新型高效的器件TVS(Transient Voltage Suppressor)吸收工業(yè)控制機(jī)電源進(jìn)線上的尖峰脈沖。TVS又稱TVP，中文譯作瞬變電壓抑制器。TVP事實(shí)上是一種特殊的穩(wěn)壓二極管。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收一個(gè)瞬間大電流，從而把它的兩端電壓箝制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，保護(hù)了后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因?yàn)槿绱?，其防雷效果也很好。圖5示出了它的伏-安特性曲線。TVP管和穩(wěn)壓管一樣，是反向應(yīng)用的。其中VR稱為最大轉(zhuǎn)折電壓，是反向擊穿之前的臨界狀態(tài)。VB是擊穿電壓，其對(duì)應(yīng)的反向電流IT一般取值為1mA。VC是最大箝位電壓，當(dāng)TVP管中流過峰值電流為Ipp的大電流時(shí)，管子兩端電壓就不再上升了。因此TVP管始終把被保護(hù)的器件或設(shè)備的端口電壓限制在VB～VC的有效區(qū)內(nèi)。與穩(wěn)壓管不同的是，Ipp的數(shù)值可達(dá)數(shù)百安培，箝位響應(yīng)時(shí)間僅為1×10-12S。TVP最大允許脈沖功率PM=VC·Ipp。TVP管的PM分為四個(gè)檔次，即500W、1000W、1500W和5000W。圖6是TVP用于普通電源進(jìn)線的原理圖。這里采用的是雙向TVP管。它對(duì)于電網(wǎng)的尖峰脈沖電壓和雷電疊加電壓等等干擾超過其額定的VC數(shù)值量，都能有效的吸收。在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信和儀器儀表之中。過去使用的壓敏電阻器，它的響應(yīng)時(shí)間慢，通常為5×10-9S，它的使用溫度范圍窄，漏電流大，吸收電流小，并且體積也較大，因此已逐步被TVP取代。TVP的用途很多，它還可用作計(jì)算機(jī)通信口的防雷以及各種大功率器件的保護(hù)和吸收電路。還可以用作計(jì)算機(jī)直流電源的過壓保護(hù)和主機(jī)防雷保護(hù)。

圖5 TVP的代表符號(hào)和伏安特性

圖6 TVP管電源過壓保護(hù)及尖峰抑制電路
a.常用電路 b.全保護(hù)電路

2.4 回避法

就是拉專線供電方法。對(duì)于大型動(dòng)力設(shè)備集中且干擾很大的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)當(dāng)盡量少使用現(xiàn)場(chǎng)工頻電源。采用非動(dòng)力供電線路供電或者直接從非動(dòng)力低壓變壓器“根部”拉專線供電的辦法，避開大負(fù)荷動(dòng)力線，減少電網(wǎng)干擾。這個(gè)方法很有效。因?yàn)殡娏?dǎo)線存在電阻，大量的動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行和啟停，在這個(gè)電阻上產(chǎn)生壓降而成為強(qiáng)烈的干擾。尤其是尖峰脈沖干擾，在動(dòng)力變壓器根部明顯減小，而在非動(dòng)力變壓器的低壓輸出根部，幾乎不存在。這在很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)都很實(shí)用。

2.5 其它方法

采用電源凈化器、鐵磁諧振交流穩(wěn)壓器、在線式UPS等抗尖峰脈沖干擾效果都很好，只是體積大，價(jià)格貴。

3 工業(yè)控制機(jī)直流電源過壓、欠壓保護(hù)技術(shù)

前述的大量的抗干擾措施，都是在進(jìn)入直流電源前的處理措施。工業(yè)控制機(jī)成年累月地運(yùn)行，其直流電源本身也會(huì)受到干擾或者出故障，或者負(fù)載發(fā)生短路等等。這些都會(huì)使工業(yè)控制機(jī)出錯(cuò)造成事故。直流電源出故障的主要特征是輸出電壓不穩(wěn)定、欠壓或者掉電，而輸出過壓相對(duì)較少。直流電源的不穩(wěn)定實(shí)際是反復(fù)的欠壓過程，它直接干擾CPU或者外設(shè)接口的正常工作。而過壓可能造成工業(yè)控制機(jī)的損壞。

3.1 直流電源的欠壓保護(hù)技術(shù)

最常用的欠壓保護(hù)措施，是采用電源監(jiān)視IC電路監(jiān)視直流電壓的輸出。當(dāng)其低過某個(gè)限定值時(shí)，監(jiān)視電路將持續(xù)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)使CPU和外設(shè)接口處于復(fù)位狀態(tài)，避免其不正常操作而帶來的事故。當(dāng)電源恢復(fù)其輸出為正常值時(shí)，該電路經(jīng)過一個(gè)規(guī)定的延遲時(shí)間后撤消復(fù)位信號(hào)，從而保證了工業(yè)控制機(jī)的正常工作。一個(gè)采用最新的電源監(jiān)視IC的電路原理圖示于圖7。在圖中，IMP809專門產(chǎn)生低電平有效的復(fù)位信號(hào)。如果μC或者μP的復(fù)位引腳是雙向的，或者內(nèi)部具有Watchdog Timer電路，例如68HC11，8098、80198系列等等，要在IMP809的RESET引腳上串聯(lián)一個(gè)4.7kΩ的電阻。此時(shí)，電路如圖7b示。IMP809的復(fù)位輸出與電源電壓的時(shí)序關(guān)系如圖7c所示。如果CPU的復(fù)位信號(hào)是高電平有效時(shí)，可以選用具有高電平RESET輸出的IMP810，它在電路中的連接與圖7相同。IMP809/810都采用3腳SOT23型封裝，即只有米粒大小的表面安裝元件。如果工業(yè)控制機(jī)還需要一個(gè)手動(dòng)復(fù)位電路的話，可以按照?qǐng)D8結(jié)構(gòu)電源監(jiān)視電路。圖中的IMP811具有手動(dòng)復(fù)位輸入引腳MR(Manual Reset )。當(dāng)CPU需要高電平復(fù)位信號(hào)時(shí)，選用IMP812電路就行了。IMP811/812采用4腳SOT143型封裝。圖8b是它們的引腳圖?！?

圖7 電源監(jiān)視IC電路及時(shí)序圖
a.一般用法 b.具有雙向RESET引腳時(shí)的用法
c.時(shí)序圖 d.引腳圖

IMP809/810、811/812是美國(guó)IMP公司的產(chǎn)品。是美國(guó)Maxim公司MAX809/810、811/812的改進(jìn)型替代產(chǎn)品。它們的功耗更低，性能更好。并且有六種監(jiān)視電壓門限，供3～5V供電系統(tǒng)選用。表3列出了器件的分檔后綴及其監(jiān)視電壓門限。

表3 IMP809/810/811/812電壓

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圖8 具有手動(dòng)復(fù)位的電源監(jiān)視電路
a.手動(dòng)復(fù)位電路 b.引腳圖

3.2 直流電源的過壓保護(hù)技術(shù)

直流電源輸出過電壓故障較少，但過電壓具有破壞性。最有效的過壓保護(hù)措施是使用2.3節(jié)的TVP瞬態(tài)電壓抑制器件。它不但可以吸收電源因雷擊或者干擾造成的過電壓尖峰脈沖，而且對(duì)電源出現(xiàn)過壓故障也有很好的保護(hù)。圖9是使用TVP管構(gòu)成的電源過壓保護(hù)電路。當(dāng)電源發(fā)生過壓故障時(shí)，TVP管被擊穿而將電壓箝位于TVP管的VC以內(nèi)，從而保護(hù)了控制裝置。 只是當(dāng)電壓持續(xù)過壓時(shí)燒毀保險(xiǎn)絲，而抑制電源線上的尖峰干擾通常不會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲，也不干擾計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行。

圖9 直流過壓保護(hù)電路

4 交流掉電保護(hù)

交流掉電也是一個(gè)可能發(fā)生的故障，它也可能導(dǎo)致某些控制事故，即使是使用了UPS。因?yàn)閁PS有時(shí)候也會(huì)發(fā)生故障。因此，如果能預(yù)知交流掉電的發(fā)生，并及時(shí)把所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制到安全的位置或者狀態(tài)上，將會(huì)避免一些損失。同時(shí)，也把重要的數(shù)據(jù)或運(yùn)行狀態(tài)保存起來，這在某些系統(tǒng)里是非常必要的，因?yàn)橹匦逻\(yùn)行需要這些數(shù)據(jù)。

一個(gè)實(shí)用的掉電檢測(cè)電路如圖10所示。220V交流電流經(jīng)橋式整流后驅(qū)動(dòng)光電隔離管T1(TLP521)中的發(fā)光二極管發(fā)光，并使T1的光電三極管導(dǎo)通，給電容C1充電。C1上的電壓經(jīng)過R2，Rw分壓后送到比較器U1(LM393)正極性輸入端。當(dāng)交流電正常工作時(shí)，調(diào)節(jié)電位器Rw使U1的“+”輸入端的電壓比“-”輸入端(穩(wěn)壓管Dz的值)略高0.2V左右，則U1輸出高電平，觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，其Q端輸出高電平。當(dāng)交流掉電時(shí)，C1不能被充電其電壓將很快下降。于是，比較器U1輸出低電平，觸發(fā)RS觸發(fā)器U2翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生非屏蔽中斷申請(qǐng)信號(hào)。如果在非屏蔽中斷服務(wù)程序中，把有危險(xiǎn)的控制機(jī)構(gòu)調(diào)到其安全的位置，并且保存當(dāng)前運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)和寄存器的狀態(tài)，這就完成了掉電處理。通常，由于直流開關(guān)電源具有較大的輸入電容器，因此從檢測(cè)到交流掉電起，到直流失電計(jì)算機(jī)不能工作時(shí)為止，還有10ms以上的時(shí)間，足夠完成掉電處理操作。

圖10 交流掉電檢測(cè)電路

5 結(jié)束語

電源抗干擾措施是由工控系統(tǒng)開發(fā)者操作的項(xiàng)目，應(yīng)用恰當(dāng)與否取決于開發(fā)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的深刻認(rèn)識(shí)。電源抗干擾措施是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)，首先做好它是成功的保證。