冶金仪表的干扰分析与抗干扰系统设计

作者 / 郑梅，山东省冶金设计院股份有限公司



冶金仪表的干扰分析与抗干扰系统设计

作者 / 郑梅，山东省冶金设计院股份有限公司

仪器仪表的稳定与可靠是冶金行业的重要基础，直接影响整个系统工程的稳定性、准确度与经济收益。本文重点分析了冶金行业中各类干扰对于仪表的错误输出，影响了过程控制的精度，使得生产工艺存在不稳定因素。并且针对冶金行业仪器仪表中常见的干扰问题，在软件与硬件方面分别设计了抗干扰措施，减少对仪器仪表的精确度及稳定性的干扰。

抗干扰；仪器仪表；微处理器；电路板

引言

大多数应用到冶金行业中的仪器仪表在设计之初就已经考虑到了抗干扰的问题，在一定意义上来说，稳定性是需要硬件与软件的共同配合才能完成的。分析误差的来源可以使测量误差减小、测量数据更加精确。但在测量的过程中，很多的元素都会使得测量的误差累积。但我们分析测量误差只需要研究引起误差的重要因素，其他不重要的因素无需个个都去分析，否则必然是事倍功办的。本文以冶金行业的仪器仪表为例，在硬件与软件上分别进行抗干扰的分析与设计。

1. 干扰类型

■1.1 电磁感应干扰

在电感和变压器周边的电路，都可以看成是一个变压器的感应线圈，当电感和变压器漏感产生的磁力线穿过某个电路时，此电路作为变压器的“次级线圈”就会产生感应电流。两个相邻回路的电路，也同样可以把其中的一个电路看做是变压器的“初级线圈”，而另一个回路可以看成是变压器的“次级线圈”，因此两个相邻回路同样产生电磁感应，即相互影响干扰。在电路中由于信号传输回路引起的正态干扰电压，可以由以下的公式计算得出：

式中，E是电磁感应产生的电压大小；Φi是第i个电流回路中的磁通量的大小；Mi是电流回路与整体信号回路的互感系数；I为第i个电流回路中的电流大小。

■1.2 静电感应干扰

电路元器件上的电荷不断积累，形成高压电后再进行放电的电击现象我们称为静电感应干扰。相较于前文所提的电磁感应干扰，此类干扰的后果更为严重，不仅会影响到获得参数的准确性，而且有可能对电路造成永久性的损伤，但是这类干扰并不是持续的。

■1.3 设备测量误差

标准器件误差、装备误差和附件误差等都属于测量设备误差。标准电阻、标准量块和标准砝码等本身存在的误差会在实际使用的过程中被重复计算，导致最终数据与标明的参数有差距。每一个测量的器件都需要一个基准器件与其对比，对比的误差会直观的显示在比较结果中，使得测量误差增加。为了使该误差减小，可以在选择基准器件的时候尽可能的选择误差较小的器件。基本要求器件的误差是在整体误差的1/10至1/3之间。

2. 干扰源及其特性

（1）开关电源：在打开或者关闭开关电源的时候，电流的变化速率极高会导致开关连接处的气隙被击穿，因此会产生很宽的扰动脉冲，如果开关数量较多并且工作频率更换较快的话，就会产生不间断的干扰误差。（2）电源线的干扰：当电源线与信号线平行铺设时，信号线会产生相对频率的干扰波。（3）可控硅装置：可控硅装置不但会影响电源波的波形，同时还会产生平谐波对数据进行干扰。

3. 硬件抗干扰措施

■3.1 电气配置

（1）当工艺要求达到额定标准的情况下，尽可能的减少各种可能影响系统的干扰源集中配置，这样可以有效的减小干扰范围。（2）所有的电缆电线都良好的接地或者配置与金属汇线桥架内，相互之间尽可能减小分布电容电阻等的元器件，降低外部的静电感应干扰。如果必须将动力电缆线与仪表信号线何用统一汇线桥架内，可以通过屏蔽隔板的方法将其分开（见表1），其分隔开后的实验数据。

表1 设屏蔽板的效果

■3.2 信号传输设置与干扰源分离

在冶金工业设计中，只要满足工艺的精度要求，仪表的信号传输导线应该尽可能的远离干扰源，或者选用不同的路径进行铺设。若实在没有办法避免时，只能选择平行铺设，但是对于平行距离的要求还是要把握好的。对于线路长，电流强度弱的电信号传输导线，特别要防止此类影响，当电压在220V的情况下，五十安培电流最小的距离至少要为460毫米才不会影响数据的正常传输，表2最其最小间距。

表2 信号系统和电力线间隔距离

■3.3 信号传输线的选择

在冶金工业设计中，信号传输导线的选择应该是极为慎重的。采用屏蔽线缆的编织网覆盖率达到百分之八十以上，可以将静电感应干扰降低90%。但是屏蔽线缆所产生的感应干扰确是没有静电感应那般容易处理的。在信号传输导线的外层，可以套上金属保护管，可以有效的降低电磁感应的干扰。经过大量的数据分析，并不是选择管壁越厚的金属保护管对于电磁感应的干扰衰变就越厉害的。笔者认为，只要强度满足工业要求，应该尽可能的选择薄的金属保护管。

4. 软件抗干扰措施

如今被各大企业广泛使用的冶金仪器仪表大多是基于微处理器的，因此在软件中消除干扰相对于硬件来说要容易的多，并且消耗的成本也更低一些。MCU内部程序被干扰最严重的是EPROM程序空间，在干扰严重的情况下甚至能看到数据的指针的失控，导致程序无法按顺序执行。这样指针随意指向的情况，会导致不可预料的麻烦出现，这对于自动控制系统来说是致命的。在程序中指定跳转指令，将IP地址指向某个安全的位置，若指针指向不确定位置时，配置系统自动跳转至程序初始化位置。或者在写片内ROM时，写入跳转指令的二进制代码，再写EPROM程序是常用的方法，也是最实用的方法。

5. 应用举例

提出一种基于微粒群优化的冶金测控仪表数据通信仿真系统如图1所示，该种系统下的冶金控仪表数据通信效率以及抗干扰性能都优于传统系统，具有较高的应用价值。通过实验验证了系统的有效性，实验数据来自于某冶金测控仪表数据库，采集其中的1000个样本数据，分别采用传统系统和本文系统对该实验样本数据进行分析。两种系统下仪表的数据通信效率以及系统在不同环境下的平均数据通信误差率分别如图2、图3示。

图1 冶金测控仪表数据通信仿真系统结构图

图2 两种系统的数据通信效率对比

图3 两种系统在不同环境下的误差率对比

分析图2得本文系统下的仪表数据通信效率高于传统系统，并且本文系统下的数据通信效率具有平稳性，传统系统的数据通信效率随着样本数量的增加出现明显的波动，说明本文系统具有较强的鲁棒性。从图3的结果能够看出，在不同干扰环境下本文系统的数据通信效率优于传统系统，并且在干扰或恶劣的冶金测控仪表数据通信中，本文系统下的数及通信效率呈现显著的优越性，说明相比传统系统本文系统具有较强的抗干扰性能，能够确保数据的准确通信，具有重要的应用价值。

表3 测试结果

为了进一步验证本文系统的优越性，统计实验过程中的相关数据，获取的结果如表3所示。

6. 结语

冶金工厂规模的不断扩大，仪器仪表等的弱电设备更是被广泛使用。不论是数字式仪器仪表还是模拟式仪器仪表，若是忽略了干扰问题，将在实际的使用过程中，带来极大的麻烦，因此无论如何都要在设计中重视抗干扰问题。本文提出的基于微粒群优化的冶金测控仪表数据通信仿真系统，该种系统下的冶金测控仪表数据通信效率以及抗干扰性能都优于传统系统，具有较高的应用价值。

＊ ［1］刘永松.数字调幅式电感测微仪系统研究［D］.哈尔滨工业大学.2009

＊ ［2］张娟.动态测量系统可靠性分析及不确定度研究［D］.西安石油大学.2011