电气工程中自动化设备的抗干扰措施探究

智 丹

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西太原 030000）

1 电气工程中自动化设备面临的主要干扰源

1.1 传导与辐射干扰

传导干扰是指通过导线或电缆传输的电磁干扰，而辐射干扰是指通过空气传播的电磁干扰。这些干扰源可能来自附近的电源线、电机、变压器等设备，也可能来自无线电频率的干扰源。传导与辐射干扰会引起设备的电压波动、电流噪声等问题[1]。辐射干扰指各种干扰信号通过各种耦合路径，例如由电源线、变压器等设备产生的电磁波，或由高速数字信号及开关电源产生的辐射干扰，到达二次设备。传导干扰指干扰信号通过各种连接导线，如电源线、信号线等，以电容、电感或共模电压的方式进入二次设备。这些连接可能通过外部干扰信号的传输，将信号引入设备中。

1.2 信号模式干扰

信号模式干扰是指由于信号传输线路的设计不当或者信号线与其他线路的干扰而引起的干扰。例如，信号线与电源线、地线或其他信号线靠得太近，会导致信号的串扰、互相干扰，从而影响设备的正常工作。

1.3 二次回路干扰

二次回路干扰是指由于设备内部的电磁干扰源，如开关电源、电机、继电器等，对其他电路产生的干扰。这些干扰源可能会引起设备的电磁辐射、电磁感应等问题，从而干扰其他电路的正常运行。

1.4 通讯信号干扰

自动化设备通常需要进行数据通讯，而通讯信号干扰可能会导致数据传输错误、通讯中断等问题。通讯信号干扰可能来自于附近的电磁干扰源，如无线电设备、电源线、电机等。此外，通讯线路的设计不当、接地问题等也可能引起通讯信号的干扰[2]。

2 电气工程中自动化设备抗干扰措施的重要价值

（1）提高系统可靠性。电气工程中的自动化设备通常需要在复杂的电磁环境中运行，如电力设备、电磁干扰源等。抗干扰措施可以有效地减少外界干扰对自动化设备的影响，提高系统的可靠性和稳定性。

（2）保障数据准确性。自动化设备通常需要进行数据采集、传输和处理，而干扰可能导致数据传输错误或丢失，进而影响系统的准确性和可靠性。抗干扰措施可以有效地降低干扰对数据传输的影响，保障数据的准确性。

（3）提高工作效率。干扰可能导致自动化设备的误动作、误报警等问题，影响工作效率和生产效益。通过采取抗干扰措施，可以减少误动作和误报警的发生，提高自动化设备的工作效率和稳定性。

（4）延长设备寿命。干扰可能导致自动化设备的电路元件受损或过载，进而影响设备的寿命。抗干扰措施可以有效地降低干扰对设备的损害，延长设备的使用寿命，降低维修和更换成本[3]。

3 电气工程中自动化设备抗干扰措施优化策略

3.1 硬件设计

3.1.1 优化电路设计

合理的电路布局和组件选择可以降低电磁干扰对设备的影响，提高设备的稳定性和可靠性。例如，在电路设计中，可以减少电路中的元器件数量，选择具有较高抗干扰能力的元器件，优化电源电路和信号传输线路的设计，加强电路板的布线布局，避免线路的交叉和重叠，从而降低电磁干扰对设备的影响。

3.1.2 接地与屏蔽技术

正确的接地方式可以有效地降低电磁干扰对设备的影响，提高设备的稳定性。在接地设计中，应该选择合适的接地方式和位置，避免不同电路之间的相互干扰，减少电源电路对地线的干扰。同时，屏蔽技术也可以有效地抑制电磁波的传播，减少电磁干扰对设备的影响[4]。

3.1.3 电源滤波与稳压技术

电源波动和噪声会对设备的稳定性和可靠性产生影响，因此需要对电源进行滤波和稳压处理。在电源滤波设计中，应该选择合适的滤波器和稳压器，减少电源波动和噪声对设备的影响。同时，在电源线路中加入适当的旁路电容也可以有效地降低电源阻抗，提高设备的抗干扰能力。

3.1.4 信号线布线与阻抗匹配

在信号传输过程中，不同的传输线和传输方式会对设备的抗干扰能力产生影响。因此，需要对信号线进行合理的布线和匹配，减少信号传输过程中的反射和衰减，提高信号的稳定性和可靠性。在信号线布线设计中，应该选择合适的传输线和传输方式，避免线路的交叉和重叠，减少线路之间的电磁干扰。同时，在信号匹配设计中，应该选择合适的电阻、电容和电感等元件，确保信号的阻抗匹配，减少信号反射和衰减对设备的影响。

3.1.5 电磁屏蔽材料与器件选择

选择合适的电磁屏蔽材料和器件可以有效地抑制电磁波的传播和干扰，提高设备的稳定性和可靠性。在电磁屏蔽材料选择中，应该选择具有较高导电性和导磁性的材料，如铜、铝、不锈钢等。同时，在器件选择中，应该选择具有较高电磁屏蔽性能的器件，如电磁屏蔽壳、电磁屏蔽膜、电磁屏蔽弹簧等。

3.2 软件设计

3.2.1 实时操作系统（RTOS）的选择与优化

RTOS 在自动化设备中起着重要的作用，其可以管理设备的任务调度、中断处理、内存管理等，对于设备的抗干扰性能也有着重要的影响。

（1）选择适合的RTOS。不同的RTOS 具有不同的特点和适用场景。在选择RTOS 时，需要根据自动化设备的实际需求和运行环境进行选择。例如，对于需要高实时性、低延迟的自动化设备，可以选择具有高实时性的RTOS，如VxWorks、FreeRTOS 等；对于需要大规模、高并发的自动化设备，可以选择具有较强并发处理能力的RTOS，如Linux、Windows 等[5]。

（2）优化RTOS 配置。在RTOS 中，可以通过配置相关的参数和选项来优化设备的抗干扰性能。具体如下：①设置更高的中断优先级来提高中断响应速度，降低由于中断延迟导致的干扰影响；②设置更大的任务栈大小来避免由于任务切换导致的堆栈溢出等异常；③开启RTOS 的实时性检测功能来检测并处理具有实时性的任务延时；④优化RTOS 的内存管理机制，以减少内存碎片和内存泄漏，从而提高设备的稳定性和抗干扰能力。

3.2.2 软件滤波算法

在自动化设备中，各种传感器、信号采集模块等会采集到大量的数据，这些数据中往往存在噪声和干扰信号，需要进行滤波处理。软件滤波算法可以对采集到的数据进行处理，去除噪声和干扰信号，提高数据的质量和准确性，从而为设备的稳定运行和正确决策提供可靠的数据支持。

（1）常见的软件滤波算法。包括均值滤波、中值滤波、滑动平均滤波等。这些算法都是通过对采集到的多个数据进行处理，去除其中的噪声和干扰信号，得到更为准确的数据。例如，均值滤波可以通过计算多个数据的平均值来消除随机波动和尖峰干扰；中值滤波可以通过将数据按大小排序并取中间值来消除异常值和脉冲干扰；滑动平均滤波可以通过计算窗口内数据的平均值来消除随机波动和噪声。

（2）优化软件滤波算法。①根据具体的采集数据进行选择和优化。例如，对于具有较强随机干扰的信号，可以选择中值滤波或滑动平均滤波等方法；对于具有较大波动性的信号，可以选择均值滤波或加权平均滤波等方法。②结合多种滤波算法进行优化，如先进行中值滤波再进行均值滤波等。③根据实际需要自定义滤波算法，以适应特定的数据特点和抗干扰要求。

3.2.3 错误检测与纠正技术

（1）错误检测。常见的错误检测方式有以下2种：①奇偶校验。奇偶校验是一种简单的错误检测方法，其通过在数据中添加校验位来实现数据的奇偶校验。根据校验位的值，数据可以被视为奇数校验或偶数校验。在接收数据时，接收方会检查校验位的值，以确定传输的数据是否有错误。如果错误的数量是偶数，则校验位的错误可以被检测出来；如果错误的数量是奇数，则校验位的错误可能无法被检测出来[6]。奇偶校验的优点是简单易用，适用于一些简单的数据传输场景。但是，其只能检测出偶数个错误，对于奇数个错误可能无法检测出来。②循环冗余校验（CRC）。循环冗余校验是一种更复杂的错误检测方法，它通过在数据后面添加若干位的校验码来实现数据的错误检测。该方法可以检测出一位或多位的错误数值，具有较高的检测准确性。CRC 算法的基本原理是对数据进行一定的数学运算，生成一个称为CRC 校验码的数值，并将该数值附加在数据的末尾。在接收数据时，接收方会使用相同的数学运算对接收到的数据进行处理，并与CRC 校验码进行比较。如果比较结果相同，则说明数据没有错误；如果比较结果不同，则说明数据有错误。CRC 校验码的长度越长，检测错误的能力就越强。但是，较长的CRC 校验码会增加数据传输的开销，可能会降低传输效率。因此，需要根据实际情况选择合适的CRC 校验码长度。

（2）纠正技术。对于一些具有较高重要性的数据，需要进行错误纠正。常见的错误纠正技术包括纠错码技术和海明码技术等。纠错码技术可以通过增加冗余信息来实现数据的错误纠正，如奇偶校验码、汉明码等；海明码技术则是一种具有检错和纠错能力的编码方式，可以纠正一位或多位错误。这些技术可以在数据传输或处理过程中加入额外的校验位或纠错码，从而实现数据的错误纠正。

3.2.4 数据加密与安全性保障

（1）数据加密技术。指对传输或存储的数据进行加密处理，从而保障数据的安全性。常见的加密算法包括对称加密算法（如DES、AES 等）和非对称加密算法（如RSA 等）。在自动化设备中，可以根据实际需求选择合适的加密算法进行数据加密。例如，DES 算法可以对数据进行对称加密，AES 算法则可以加密敏感数据和大块数据，RSA 算法则可以用于加密密钥或数字签名等。

（2）安全性保障。在自动化设备中，需采取一系列的安全性保障措施来进一步保障数据的安全性。例如，可以设置用户权限管理，限制非法访问和操作；开启防火墙和入侵检测系统，防止网络攻击和非法入侵；备份重要数据，避免数据丢失或损坏等。

4 结束语

综上所述，未来，随着科技的不断进步和工业生产的不断发展，自动化设备的应用将会更加广泛。同时，各种干扰源也会变得更加复杂和多样化。因此，研究和开发更加先进的抗干扰技术和措施将成为未来的发展方向。只有通过不断创新和改进，才能够更好地应对各种干扰源，保证自动化设备的正常运行，提高工作效率，推动工业生产的发展。