计算机系统抗干扰的探讨

朱维泰

近年来，计算机系统快速发展，在各个领域中都得到了广泛应用。它集成了系统的检测、辩识、显示、控制、历史趋势、报警于一体，并进行联网管理，组成有级别的专家系统。计算机系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是保证整个系统可靠运行的关键。在实验室里具有优越性能且正常运行的系统，到了实际环境中不能按预期工作。一些在国外有运行实绩且技术性能先进的集散控制系统（DCS），若不综合考虑和处理好现场电磁环境和兼容问题，系统的接地源和连接质量问题，也不能保证安全可靠运行。我国工业现场电磁环境较为复杂，要提高计算机系统可靠性，一方面，要求生产制造单位按可靠性设计的要求，提高系统抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护单位引起高度重视，如安装环境、接地点、震动和周围磁场的考虑。各方配合才能比较有效地解决问题，最大限度地增强系统的抗干扰性能。

一、电磁干扰源及其对计算机系统干扰机制

1.空间的辐射干扰（EMI）

其产生主要是由于供电网络和电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达和通信等，我们通常称之为辐射干扰，分布极为复杂。它们对计算机系统影响途径有两条，其一是直接对计算机内部的辐射，由电路感应产生干扰；其二是计算机系统外围设备及其通信网络的辐射，由外围设备和通信线路的感应引入干扰。

2.系统外引线干扰源

主要是通过电源和信号波引入，通常称为传输干扰，在我国工业应用领域较为严重。通常变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源即配电器串入的电网干扰，容易被忽视；信号线受空间电磁辐射感应的干扰也很严重，由信号引入的干扰会引起I/O接口工作异常和测量精度严重降低。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总回流，造成逻辑数据变化、“冲程”和死机。

3.接地系统混乱时的干扰

工业计算机系统的地线包括模拟地、逻辑地、交流地、直流地和保护地等，必须处理好，否则计算机系统可能无法正常工作。接地系统混乱对计算机系统的干扰主要是大地电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。

4.计算机系统内部的干扰

主要是系统内部元器件及电路间的相互电磁耦合、电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。计算机制造厂对系统内部进行电磁兼容（EMC）设计的内容比较复杂，作为应用部门无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。

二、计算机系统应用中的可靠性设计

1.干扰及其干扰的影响

干扰对模拟电路的影响是连续的，这种影响随着干扰增加而加大，如干扰源消失，系统即恢复原来的状态。数字电路所用的逻辑元件都有各自的阈电平和与之相对应的噪声容限，只要外来干扰不超过逻辑元件的噪声容限，就不会影响电路。但是，如果输入系统的干扰超过噪声容限，干扰可能会触发触发器和存储器所保存的信息，系统程序便有失控的危险。

2.容错技术和应用

由于干扰不可能完全清除，只能在应用中考虑消除、抑制或减少错误，软件运行时所遇到的用户操作错误、硬件故障，以及其他软件引起的错误，必须利用容错技术加以解决。

3.在进行具体工程的抗干扰设计时应注意的问题

（1）设备选型。首先，应选择具有较高抗干扰能力，包括内部电磁兼容性，特别是抗干扰能力的产品，如采用浮地技术、隔离性能好的计算机。设备选型时，应了解生产厂给出的抗干扰指标，或共模拟制比、差模拟制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作。其次，考查其在类似工作中的应用实绩，特别不能迷信国外进口产品。我国采用220V高内阻电网制式，尤其是带隔离的干净电源，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区严重4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，在国外能正常工作的计算机产品在国内工作现场不一定能可靠运行，这也是为实践所证明的。

（2）主要考虑来自系统外部的几种干扰抑制措施。主要设计内容包括：对计算机系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波特别远离动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。

三、主要抗干扰措施

1.采用性能优良的隔离电源，抑制电网引入的干扰

电网干扰串入主要通过计算机系统的供电电源（如主机电源，I/O电源等）、变送器供电电源和与计算机系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入。目前计算机系统（如主机、I/O等）的供电电源一般隔离性能较好。对于变送器供电的电源即配电器与计算机系统有直接电气连接（如共用信号等）的仪表的供电电源，往往由于工程设计或使用单位选配，必须引起足够的重视。

2.正确选择接地点，完善接地系统

（1）全系统采用统一接地网。由于工业现场环境的限制，与办公用独立的单机系统不同，工业计算机系统与大量的过程信号相连接，而过程信号又往往在现场接地（如热电偶热端接地等），不可能设置完全隔离的独立接地系统。因此，工业计算机系统的接地网宜与现场电气接地网共用，否则对突变电磁场（如雷雨、浪涌等）的冲击将给计算机带来更大的干扰。所有需要接地的点应通过拉地线与接地网牢固连接，且连接点尽量靠近。

（2）信号屏蔽层的接地必须保证单点接地。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在计算机侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接并进行绝缘处理。对于计算机系统的输出信号，确认是模拟量还是屏蔽输出信号，其屏蔽接地均应接在机柜接地母板上，再由母板接地。对于带有中间接地箱柜（盒）的过渡接线方式，要求拉地柜（盒）内屏蔽层用导线短接在一起，选择适当的接地处单点接地。

（3）合理选择和敷设信号电缆。不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号的种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送电源和信号，并避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以防止电磁干扰。

（4）硬件滤波。信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，可减少共模干扰；信号两极间加装滤波器减小差模干扰。

（5）软件抗干扰措施。由于电磁干扰的复杂性，仅依靠硬件从根本上消除干扰影响是不可能的。因此，在工业计算机系统的软件设计和组态时，还必须在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的安全性。

四、结束语

工业计算机系统工程化应用的电磁兼容性设计是一个系统工程，必须全面考虑并在各个环节上予以高度重视。我国工业现场电磁环境十分复杂，干扰非常严重。不能迷信国外产品或照搬其标准，应因地制宜，从设备选型、工程设计到安装调试都要考虑现场干扰情况，特别要注意对配电器引入干扰的隔离，采用各种软硬结合的措施协调配合，才能有效提高系统的整体抗干扰水平，增强系统的安全可靠性。`

（作者单位：山西机械高级技工学校）