計算機控制技術 第5章計算機控制系統(tǒng)抗干擾和可靠性技術ppt課件

.,1,第5章計算機控制系統(tǒng)的抗干擾和可靠性技術,干擾源與干擾耦合方式空間抗干擾的措施過程通道的抗干擾措施長線傳輸?shù)目垢蓴_措施系統(tǒng)供電與接地的抗干擾措施采用監(jiān)控定時器Watchdog的抗干擾措施軟件抗干擾措施印刷電路板的抗干擾設計原則提高計算機控制系統(tǒng)的可靠性措施,.,2,什么是干擾？,干擾是指有用信號以外的噪聲或造成計算機設備不能正常工作的破壞因素。,.,3,抗干擾的方法,硬件措施：效率高，但會增加系統(tǒng)的投資和設備的負擔。軟件措施：以CPU的開銷為代價，會影響到系統(tǒng)的工作效率和實時性。軟硬結合：最佳方式。,.,4,5.1干擾源與干擾耦合方式,5.1.1干擾來源5.1.2干擾信號的耦合方式,.,5,5.1.1干擾來源,干擾信號產(chǎn)生于干擾源。依據(jù)干擾的來源不同，工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的干擾可以分為三類：電源干擾空間干擾設備干擾,.,6,1.電源干擾,電源干擾是指來自供電電源的干擾。浪涌尖峰噪聲斷電等。,.,7,(1)浪涌,掛在同一供電電網(wǎng)上的大功率設備，特別是感性負載設備，如大功率電動機等，它們的起動或停止會造成電網(wǎng)電壓的大幅度漲落，從而形成浪涌。,.,8,掛在同一供電電網(wǎng)上的大功率開關的通斷，電焊機的使用，特別是掛有使用大功率晶閘管元件的設備，往往使電網(wǎng)上出現(xiàn)尖峰脈沖。持續(xù)時間很短，但峰值可達2000V，有時甚至更高。,(2)尖峰,.,9,(3)噪聲,供電電網(wǎng)和系統(tǒng)供電引接線，對于噪聲而言有天線效應，所接收到的噪聲會隨供電電源侵入系統(tǒng)。,.,10,斷電也是一種干擾，特別是電網(wǎng)調(diào)度高壓切換中的瞬間斷電，對工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的干擾后果可能是很嚴重的。,(4)斷電,.,11,2.空間干擾,電場磁場電磁輻射,.,12,(1)靜電和電場的干擾,系統(tǒng)的部分設備產(chǎn)生靜電，或部分設備在某個電場之中受其影響構成干擾。,.,13,如果系統(tǒng)的部分設備與某些能夠產(chǎn)生磁場的電氣設備相距過近，從而受其影響構成磁場干擾。磁場干擾的機理是電磁感應。,(2)磁場干擾,.,14,電磁輻射干擾有：廣播電臺或通信發(fā)射臺發(fā)出的電磁波；周圍的電氣設備如發(fā)射機、中頻爐、晶閘管逆變電源、變頻調(diào)速裝置等發(fā)出的干擾。自然界和氣象條件也形成干擾，如太陽輻射電磁波、空中雷電造成的過電壓或過電流所形成的干擾等。,(3)電磁輻射干擾,.,15,3.設備干擾,設備干擾是指設備內(nèi)部或設備之間產(chǎn)生的干擾。例如：當有的電氣設備漏電、接地系統(tǒng)不完善，或測量部件絕緣不好，均會使通道中串入共模電壓或差模電壓；各個通道的若干線路同用一根電纜或綁扎在一起，各路之間可能通過電磁感應而產(chǎn)生相互干擾，特別是交流220V電源線，極易在低于15V的測量通道中構成共模干擾或差模干擾。,.,16,三種干擾的嚴重程度,最嚴重交流電源的干擾；其次設備干擾，特別是來自通道的干擾；程度最低空間的輻射干擾，采取適當?shù)钠帘未胧┚涂梢垣@得比較滿意的效果。,.,17,5.1.2干擾信號的耦合方式,靜電耦合方式電磁耦合方式共阻抗耦合方式電磁場輻射耦合方式,.,18,1.靜電耦合方式,當兩根導線平行的放置至一定距離時，該兩根導線之間的電容就構成了它們相互間的電容性耦合。作用機理：一根導線在另一根導線的靜電電場中時，必然受到該電場的影響。通過分布電容產(chǎn)生了附加的噪聲電壓。,.,19,2.電磁耦合方式,在載流電路周圍空間中會產(chǎn)生磁場，在其周圍的閉合電路將受交變磁場的影響而產(chǎn)生感應電動勢并形成感應電流。大功率設備、強電流導線周圍空間都會產(chǎn)生磁場，交變磁場會在信號回路內(nèi)產(chǎn)生疊加噪聲電壓。在設備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁就是一個很大的干擾源；在設備外部，當兩根導線在較長的距離內(nèi)敷設或架設時，將會產(chǎn)生電磁耦合干擾。,.,20,3.共阻抗耦合方式,當兩個電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時，一個電路在該阻抗上所產(chǎn)生的電壓降會影響到另一個電路，該種耦合方式稱作共阻抗耦合。,.,21,.,22,公共阻抗通常分為公共地和公共電阻兩種。公共電阻是公共電源的內(nèi)阻、控制設備工作線路與連線的阻抗。公共阻抗的數(shù)值與感應電壓的頻率有關：在低頻時基本上等于連接導線的電阻和電源濾波器輸出電容的容抗；在高頻時基本上等于連接導線的感抗和電源濾波器輸出電容的容抗。,.,23,4.電磁場輻射耦合方式,當高頻電流流過導體時，在該導體周圍產(chǎn)生電力線和磁感應線，它們隨著導體各個部分瞬時的電荷變化而變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波，處于電磁波中的導體，將因受到電磁波的作用而感應出相應頻率的電動勢。電磁場輻射干擾是一種無規(guī)則的干擾，它極易通過電源而耦合到系統(tǒng)中來。另外，過長的信號輸入線和輸出線以及控制線具有天線效應，它們既能接收干擾波，又能輻射干擾波。,.,24,干擾形成后，若不能有效克服，測控系統(tǒng)將無法正常工作。因此，設計的系統(tǒng)抗干擾能力的強弱是系統(tǒng)能否有效、可靠工作的關鍵。,.,25,5.2空間抗干擾的措施,5.2.1空間感應與屏蔽5.2.2空間感應的抗干擾措施,.,26,5.2.1空間感應與屏蔽,空間感應包括靜電場、高頻電磁場以及磁場引起的干擾，對于這類干擾主要采用隔離、良好的屏蔽和正確的接地方法等加以解決。屏蔽主要用來解決電磁干擾，它將電力線或磁感應線的影響限定在某個范圍之內(nèi)或阻止它們進入某個范圍。其目的是隔斷場的耦合、抑制場的干擾。靜電屏蔽電磁屏蔽磁屏蔽,.,27,電場屏蔽,電場屏蔽主要解決由于分布電容耦合引入的電場干擾問題。因此屏蔽體應對干擾呈低阻抗，屏蔽層應放在干擾源和敏感電路之間，而且必須將屏蔽體接地。屏蔽體一般用良導體如銅和鋁構成，還要注意屏蔽的連續(xù)性。,.,28,電磁屏蔽,電磁屏蔽主要克服高頻電磁場干擾。它利用良好導體在電磁場內(nèi)產(chǎn)生渦流效應來削弱電磁場的干擾。若將屏蔽接地，則可同時起到電場屏蔽作用。,.,29,磁屏蔽,磁屏蔽主要用來防止低頻磁通的干擾。它是利用高導磁率材料，如坡莫合金、鐵氧體等將敏感電路包圍，使干擾磁場短路。,.,30,5.2.2空間感應的抗干擾措施,空間隔離：使敏感設備或信號線遠離干擾源(如大型動力設備及大變壓器等)。屏蔽：對敏感電路加屏蔽盒或?qū)π盘柤悠帘螌印Ｆ帘螌硬荒茈S意接地，必要時屏蔽層外還要有絕緣層。高電平線和低電平線不要走同一電纜，也不要走同一插件。不得已時可以將高電平線和低電平線分立兩邊，中間留備用線或地線。,.,31,模擬信號線與數(shù)字信號線不要走同一根電纜。信號線與電源線要分開，并盡量避免平行敷設。注意屏蔽的連續(xù)性。即不要使屏蔽體中間斷開或使屏蔽體與被屏蔽體過早分離。,.,32,采用雙絞線(或帶屏蔽的雙線)或同軸電纜，可以大大減小電磁干擾。有條件的地方，還可以采用性能更優(yōu)越的光導纖維。在易燃易爆、腐蝕性、傳輸距離長、電磁干擾特別嚴重的場合可考慮使用光纖作為傳感或傳輸介質(zhì)。,.,33,5.3過程通道的抗干擾措施,干擾往往沿著過程通道進入計算機，其主要原因是過程通道與計算機之間存在公共地線。最容易受影響的是A/D和各種輸入裝置。所以要求這些設備有很強的抗干擾能力，而且要設法削弱來自公共地線的干擾，以提高過程通道的抗干擾性能。干擾的作用方式，一般可分為串模干擾和共模干擾。,.,34,.,35,1.串模干擾及其抑制,疊加在被測信號上的干擾信號稱為串模干擾，用Vg表示。(也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等)一般情況下，被測信號的變化比較緩慢，而串模干擾信號的主要成分是50Hz的工頻和特殊的高次諧波，且通過電磁耦合和漏電等傳輸形式疊加到信號或引線上形成干擾。,.,36,.,37,減少串模干擾的措施,.,38,(1)采用輸入濾波器,加入濾波器就是使有用信號頻率能有效通過，而抑制噪聲頻率的通過。根據(jù)信號的頻譜特性，可將濾波器設計為低通、高通、帶通和帶阻4種。根據(jù)濾波器的結構可分為無源濾波和有源濾波器兩類。如果串模干擾頻率比被測信號頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻串模干擾；如果串模干擾頻率比被測信號頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；如果串模干擾頻率落在被測信號頻譜的兩側(cè)，應采用帶通濾波器。,.,39,一般情況下，串模干擾比被測信號變化快，故常用二階阻容低通濾波網(wǎng)絡作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。,.,40,圖5.6為常用的二級阻容濾波器網(wǎng)絡，它可以使50Hz的干擾信號衰減到1/600左右，時間常數(shù)小于200ms。但當被測信號變化較快時，需要改變網(wǎng)絡參數(shù)。,.,41,如果串模干擾也是緩慢變化的，即串模干擾和被測信號的頻率相當，用上述濾波的辦法就很難消除，只能從根本上切斷引起干擾的干擾源。例如選擇帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜連接一次儀表(如壓力變送器、熱電偶)和轉(zhuǎn)換設備，并配以良好的接地措施來解決。采用雙絞線作為信號引線的目的是減少電磁干擾。雙絞線能使各個小環(huán)路的感應電勢相互抵消。一般雙絞線的節(jié)距越小抗干擾能力越強。,(2)進行電磁屏蔽和良好的接地,.,42,當尖峰型串模干擾為主要干擾時，使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，或在軟件上采用判斷濾波的方法加以消除。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的平均值而不是瞬時值進行轉(zhuǎn)換，所以對尖峰干擾具有抑制能力。如果取積分周期等于主要串模干擾的周期或為主要串模干擾周期的整數(shù)倍，則通過積分比較變換后，對串模干擾有更好的抑制效果。,(3)使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,.,43,當傳感器信號距離主機較遠時很容易引入干擾。如果在傳感器出口處將被測信號由電壓轉(zhuǎn)換為電流，以電流形式傳送信號，將大大提高信噪比，從而提高傳輸過程中的抗干擾能力。此外，當串模干擾主要來自電磁感應時，信號應盡可能早地前置放大，提高信噪比。也可考慮利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。,(4)電流傳送,.,44,2.共模干擾及其抑制,共模干擾產(chǎn)生的主要原因是不同“地”之間存在共模電壓以及模擬信號系統(tǒng)對地存在漏阻抗。共模干擾通過過程通道串入主機。越大的系統(tǒng)實際形成的接地點越多，由于各接地點的電位不同，地回路會產(chǎn)生電流。地回路電流迭加在信號中，使信號失去了真實性和穩(wěn)定性。,.,45,.,46,抑制共模干擾的措施,主要方法是設法消除不同接地點之間的電位差。主要措施有以下三種。,.,47,(1)采用差分放大器做信號前置放大,由于共模干擾電壓只有轉(zhuǎn)變成串模干擾才能對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因此要抑制它，就要盡量做到線路平衡。采用差分放大器可以有效抑制共模干擾，如圖58所示。,.,48,.,49,圖中Z1、Z2為信號源內(nèi)阻和引線電阻，Zil、Zi2為輸入電路的輸入阻抗。共模干擾電壓vg在放大器輸入端A、B產(chǎn)生的串模干擾為,若線路中Z1、Z2越小，Zil、Zi2越大，而且Zil與Zi2越接近，共模干擾的影響就越小。,這種儀表放大器具有共模抑制能力強、輸入阻抗高、漂移低等優(yōu)點，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號的器件。,.,50,當信號地與放大器地隔開時，共模干擾電壓Vg不能形成回路，就不能轉(zhuǎn)成串模干擾。常用的隔離方法有：變壓器耦合光電耦合,(2)采用隔離技術將地電位隔開,.,51,變壓器隔離圖,變壓器耦合,一般是利用變壓器把模擬信號電路與數(shù)字信號電路隔離開來，也就是把模擬地與數(shù)字地斷開，以使共模干擾電壓不成回路，從而抑制了共模干擾，一般形式見下圖。隔離前和隔離后應分別采用兩組互相獨立的電源，切斷兩部分的地線聯(lián)系。,.,52,若被測信號是直流信號，采用變壓器隔離時，就必須采用調(diào)制解調(diào)技術。由變壓器構成的隔離放大器如圖5.9所示。,.,53,光電耦合,最簡單的隔離方法是選用光電耦合器。光電耦合器的輸入輸出具有較高的絕緣電阻。光電隔離是利用光電耦合器完成信號的傳送，實現(xiàn)輸入地與輸出地的隔離，如下圖所示。注意，光電隔離前后兩部分電路應分別采用兩組獨立的電源。,.,54,如果將光電耦合器與壓頻(V/F)變換器、頻壓(F/V)變換器組合起來，形成組合式模擬隔離器，不僅隔離方便，信號抗干擾性強，而且對模擬信號的遠距離傳送尤為有效。因此這種方法受到廣泛重視，其構成原理如圖510所示。,.,55,根據(jù)所用的器件及電路不同，通過光電耦合器既可以實現(xiàn)模擬信號的隔離，也可實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離。選用光電耦合器實現(xiàn)模擬信號的隔離時，要特別注意隔離前后信號線性度的變化。光電耦合器的線性范圍有限，線性度一般為0.1%量級，一定程度上限制了它在模擬信號隔離方面的應用。光電耦合器可方便的用于數(shù)字信號的隔離。隔離電壓一般為1500VDC(1分鐘)以上。,.,56,(3)利用浮地屏蔽,所謂浮地，就是利用屏蔽方法使信號的“模擬地”浮空，從而達到抑制共模干擾的目的。采用雙層屏蔽三線采樣(S1、S2、S3)浮地隔離放大器來抑制共模干擾電壓。如圖5.11所示。,.,57,.,58,這種方式之所以具有較高的抗共模干擾能力，其實質(zhì)在于提高了共模輸入阻抗，減少了共模電壓在輸入回路中引起的共模電流，從而抑制共模干擾的來源。在圖5.11中，Zs為信號源內(nèi)阻，Rg為信號線的屏蔽電阻，Z1為放大器輸入級對內(nèi)屏蔽層的漏阻抗，Z2為內(nèi)屏蔽層與外屏蔽層之間的漏阻抗。屏蔽線Rg和Z2為共模電流ig1提供了通路，但這一電流不會產(chǎn)生串模干擾。共模電壓Vg中只有在屏蔽線Z2上的壓降(只占Vg的一小部分)會在模擬量輸入回路中產(chǎn)生共模干擾電流。這數(shù)值很小，因而對共模干擾的抑制很起作用。,.,59,5.4長線傳輸抗干擾措施,在計算機控制系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號的頻率很高，很多情況下傳輸線要按長線對待。例如，對于10ns級的電路，幾米長的連線應作為長線來考慮，而對于ns級的電路，1米長的連線就要當作長線處理。,.,60,1.長線傳輸?shù)母蓴_,信號在長線中傳輸時會遇到三個問題：一是長線傳輸易受到外界干擾；二是具有信號延時；三是高速度變化的信號在長線中傳輸時，還會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。當信號在長線中傳輸時，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號會在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生向前進的電壓波和電流波，稱為入射波；另外，如果傳輸線的終端阻抗與傳輸線的波阻抗不匹配，那么當入射波到達終端時，便會引起反射；同樣，反射波到達傳輸線始端時，如果始端阻抗不匹配，還會引起新的反射。這種信號的多次反射現(xiàn)象，使信號波形失真和畸變，并且引起干擾脈沖。,.,61,2.長線抗干擾措施,采用終端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除長線傳輸中的波反射或者把它抑制到最低限度。,.,62,5.5系統(tǒng)供電與接地的抗干擾措施,5.5.1系統(tǒng)供電的抗干擾措施5.5.2系統(tǒng)接地的抗干擾措施,.,63,5.5.1系統(tǒng)供電的抗干擾措施,計算機控制系統(tǒng)一般由交流電網(wǎng)供電(AC220V，50Hz)。電網(wǎng)的干擾、頻率的波動將直接影響到系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。此外，在系統(tǒng)正常運行過程中，計算機的供電不允許中斷，否則不但會使計算機丟失數(shù)據(jù)，而且還會影響生產(chǎn)。因此，必須考慮采取電源保護措施，防止電源干擾，并保證不間斷地供電。,.,64,1.系統(tǒng)供電的一般保護,.,65,開關電源用調(diào)節(jié)脈沖寬度的辦法調(diào)整直流電壓，調(diào)整管以開關方式工作，功耗低。這種電源用體積很小的高頻變壓器代替了一般線性穩(wěn)壓電源中的體積龐大的工頻變壓器，對電網(wǎng)電壓的波動適應性強，抗干擾性能好。,.,66,更一般地，計算機測控系統(tǒng)常用的直流穩(wěn)壓電源如下圖所示。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩(wěn)壓措施，具有較強的抗干擾能力，可用于一般工業(yè)控制場合。,抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖,.,67,(1)隔離變壓器,隔離變壓器的作用有兩個：一是防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統(tǒng)；二是利用其屏蔽層阻止高頻干擾信號竄入。,.,68,(2)低通濾波器,各種干擾信號一般都有很強的高頻分量，低通濾波器是有效的抗干擾器件，它允許工頻50Hz電源通過，而濾掉高次諧波，從而改善供電質(zhì)量。,.,69,(3)交流穩(wěn)壓器,交流穩(wěn)壓器的作用是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源電壓波動對系統(tǒng)的影響。,.,70,(4)電源變壓器,電源變壓器是為直流穩(wěn)壓電源提供必要的電壓而設置的。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，電源變壓器做成雙屏蔽形式。,.,71,(5)直流穩(wěn)壓系統(tǒng),直流穩(wěn)壓系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器和高頻濾波器等幾部分，常用的直流穩(wěn)壓電路如下圖所示。,.,72,簡易直流穩(wěn)壓電源示意圖,簡易直流穩(wěn)壓電源結構,.,73,2.電源異常的保護,由于計算機控制系統(tǒng)的供電不允許中斷，所以一般采用不間斷電源UPS，其原理如圖5.13所示。,.,74,正常情況下由交流電網(wǎng)供電，同時給電池組充電。如果交流電供電中斷，電池組經(jīng)逆變器輸出交流代替外界交流供電，這是一種無觸點的不間斷的切換。UPS是用電池組作為后備電源。如果外界交流電中斷時間長，就需要大容量的蓄電池組。為了確保供電安全，可以采用交流發(fā)電機或第二路交流供電線路。一般采用連續(xù)備用供電系統(tǒng)，由柴油發(fā)電機供電，在兩種供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換期間，由電池完成平穩(wěn)過渡，以避免電源更換對系統(tǒng)的沖擊。,.,75,3.計算機系統(tǒng)的掉電保護,對于允許暫時停運的計算機系統(tǒng)，希望在電源掉電的瞬間，系統(tǒng)能自動保護RAM中的有用信息和系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以便當電源恢復時，能自動從掉電前的工作狀態(tài)恢復。掉電保護工作包括電源監(jiān)控和RAM的掉電保護兩個任務。,.,76,（1）電源監(jiān)控電路,電源監(jiān)控電路用來監(jiān)測電源電壓的掉電，以便使CPU能夠在電源下降到所設定的門限值之前完成必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和保護工作，并同時監(jiān)控電源何時恢復正常。電源監(jiān)控電路有很多種類和規(guī)格，如美國MAXM公司生產(chǎn)的P監(jiān)控電路具有下列功能：(1)上電復位；(2)監(jiān)控電壓變化，可從1.6V到5V；(3)看門狗Watchdog功能；(4)片使能；(5)備份電池切換開關等等。精度有1.5%和小于2.5%各檔。復位方式有高有效和低有效兩種。,.,77,（2）掉電保護,RAM一旦停電，其內(nèi)部的信息將全部丟失，因而影響系統(tǒng)的正常工作。為此，在計算機控制系統(tǒng)中，經(jīng)常使用鎳電池，對RAM數(shù)據(jù)進行掉電保護。有不少CMOS型RAM芯片在設計時就已考慮并賦予它具有微功耗保護數(shù)據(jù)的功能，如6116，6264，62256等芯片，當它們的片選端為高電平時，即進入微功耗狀態(tài)，這時只需2V的電源電壓，540A的電流就可保持數(shù)據(jù)不變。,.,78,5.5.2系統(tǒng)接地的抗干擾措施,計算機系統(tǒng)接地的目的有兩個：一是抑制干擾，使計算機穩(wěn)定地工作；二是保護計算機、電器設備和操作人員的安全。但不恰當?shù)慕拥夭坏荒芤种聘蓴_，反而會造成極其嚴重的干擾，因此，正確的接地對計算機控制系統(tǒng)極為重要。通常接地可分為工作接地和保護接地兩大類。保護接地主要是為了避免操作人員因絕緣層的損壞而發(fā)生觸電危險以及保證設備的安全；工作接地則主要是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行，防止地形成環(huán)路引起干擾。本小節(jié)主要介紹工作接地。,.,79,1.接地系統(tǒng)分析,由于計算機控制系統(tǒng)中的“地”有多種，故接地線主要分為以下幾類：模擬地數(shù)字地安全地系統(tǒng)地交流地,.,80,模擬地,模擬地是系統(tǒng)中的傳感器、變送器、放大器、AD和DA轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。由于模擬信號往往有精度要求，有時信號比較小且直接與生產(chǎn)現(xiàn)場相連接，所以必須認真地對待。,.,81,數(shù)字地,數(shù)字地，也叫邏輯地，是計算機中各種數(shù)字電路的零電位，為避免對模擬信號造成數(shù)字脈沖的干擾，數(shù)字地應與模擬地分開。,.,82,安全地,安全地又稱為保護地或機殼地，其目的是讓設備機殼(包括機架、外殼、屏蔽罩等)與大地等電位，以免因機殼帶電而影響人身及設備安全。,.,83,系統(tǒng)地,系統(tǒng)地是上述幾類地的最終回流點，直接與大地相連。由于地球是體積非常大的導體，其靜電容量也非常大，電位比較恒定，所以人們將它的電位作為基準電位，即零電位。,.,84,交流地,交流地是計算機交流供電電源地，即動力線地，其地電位很不穩(wěn)定。在交流地上任意兩點之間往往很容易就有幾伏至幾十伏的電位差存在，還容易帶來各種干擾。因此，交流電絕對不允許與上述幾類地相連，并且交流電源變壓器的絕緣性能要好，以絕對避免漏電現(xiàn)象。,.,85,由上可見，正確的接地十分重要。根據(jù)接地理論，低頻電路(頻率小于lMHz)其布線和元器件間的電感影響較小，地線阻抗不大，而接地電路形成的環(huán)流有較大的干擾作用，因而應采用一點接地，防止地環(huán)流的產(chǎn)生。高頻電路(頻率大于10MHz)其布線與元器件間的電感使得地線阻抗變得很大。為了降低地線阻抗，應采用就近多點接地。介于低頻與高頻之間時，當?shù)鼐€長度不超過信號波長的1/20時，可以采用一點接地，否則就要多點接地。,.,86,單點接地的目的是避免形成地環(huán)路，地環(huán)路產(chǎn)生的電流會引入到信號回路內(nèi)線形成干擾。在計算機控制系統(tǒng)中，一般對上述各類地均采用分別回流法單點接地，如圖5.14所示。,.,87,回流線往往采用由多層銅導體構成的匯流條而不是一般的地線，這種匯流條的截面呈矩形，各層之間有絕緣層，可以減少自感。在要求較高的系統(tǒng)中，分別采用橫向及縱向匯流條，機柜內(nèi)各層機架間分別設置匯流條，以最大限度地減少公共阻抗的影響。在空間上將數(shù)字地匯流條與模擬地匯流條間隔開來，以避免通過匯流條間電容產(chǎn)生耦合。安全地(機殼地)始終是與信號地(數(shù)字地、模擬地)分離的。這些地只在最后匯聚一點，并常常通過銅接地板交匯，然后用線徑不小于300mm2的多股銅軟線焊接在接地極上后深埋于地下。,.,88,2.低頻接地技術,實際的計算機控制系統(tǒng)中信號頻率大部分都在lMHz以下，在此只討論低頻接地而不涉及高頻問題。,.,89,(1)一點接地方式,信號地線的接地方式應采用一點接地。常用的有串聯(lián)接地(或稱共同接地)和并聯(lián)接地(或稱分別接地)兩種接法。,.,90,并聯(lián)接地方式在低頻時最適用。其缺點是需要連很多根地線，且用起來比較麻煩。,.,91,從防止噪聲的角度看，圖5.15(a)所示的串聯(lián)接地方式是不合理的，因為地電阻r1、r2和r3是串聯(lián)的，各電路間相互會發(fā)生干擾。但由于比較簡單，采用此方式的仍然較多。這種方式當各電路的電平相差不大時還可勉強使用，但當各電路的電平相差很大時就不能再使用，因為高電平將會產(chǎn)生很大的地電流并干擾到低電平電路中去。采用這種接地方式還應注意將低電平的電路放在距接地點最近的地方，如圖5.15(a)中最接近地電位的A點上。,.,92,(2)模擬地和數(shù)字地的連接,數(shù)字地主要是指TTL或CMOS芯片、I/O接口芯片、CPU芯片等數(shù)字邏輯電路的地端，以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地。模擬地主要是指放大器、采樣/保持器和A/D、D/A中模擬信號的接地端。在控制系統(tǒng)中，數(shù)字地和模擬地必須分別接地，然后僅在一點處把兩種地連接起來。其連接線路如下圖所示。,.,93,模擬地與數(shù)字地的連接示意圖,.,94,(3)實用的低頻接地,為兼顧噪聲標準和簡單易行，一般在低頻時采用串聯(lián)一點接地的綜合接法，即分組接法，將低電平電路經(jīng)一組共同的地線接地，高電平電路經(jīng)另一組共同地線接地，也就是說在同一組中的電路功率、噪聲電平均相差不大。在一般的過程計算機控制系統(tǒng)中至少有三條分開的地線(為避免噪聲耦合，三種地線應分開)，如圖5.16所示。,.,95,一條是低電平電路地線；一條是繼電器、電動機等的地線(稱為“噪聲”地線)；一條是設備機殼地線(稱為“金屬件”地線)。若設備使用交流電源，則電源地線應和金屬件地線相連。這三條地線應在一點連接接地。使用這種接地方法可解決計算機控制系統(tǒng)的大部分接地問題。,.,96,3.輸入通道的接地技術,.,97,(1)電路一點地基準,實際的模擬量輸入通道可以簡化成由信號源、輸入饋線和輸入放大器三部分組成。這部分接地常見的錯誤是將信號源與輸入放大器分別接地形成雙端接地。正確的接地方法是單端接地。,.,98,(2)電纜屏蔽層的接地,當信號電路是一點接地時，低頻電纜的屏蔽層也應一點接地。如欲將屏蔽一點接地，則應選擇較好的接地點。,.,99,4.主機外殼接地,機芯浮空是為了提高計算機的抗干擾能力，將主機外殼作為屏蔽罩接地。而把機內(nèi)器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50M，即機內(nèi)信號地浮空，如圖所示。這種方法安全可靠，抗干擾能力強，但制造工藝復雜，一旦絕緣電阻降低就會引入干擾。,.,100,5.多機系統(tǒng)的接地,在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中，多臺計算機相互通信、資源共享。如果接地不合理，將使整個網(wǎng)絡系統(tǒng)無法正常工作。若幾臺計算機的距離比較近(如安裝在同一機房內(nèi))，可采用類似圖5.18所示的多機一點接地的方法。各機柜用絕緣板墊起來，以防多點接地。,.,101,對于遠距離的計算機網(wǎng)絡，多臺計算機之間的數(shù)據(jù)通信，通過隔離的辦法把地分開。例如采用變壓器隔離技術、光電隔離技術和無線電通信技術等。,.,102,解決供電系統(tǒng)和接地的干擾，應防止地環(huán)流的產(chǎn)生，消除地回路電流，需要采用一點接地。但在工程實際中，一點接地往往很難實現(xiàn)。例如有些儀表為了確保人身安全必須接地；有些傳感器必須接地以獲得準確的測量值；何況在一個大系統(tǒng)中，不該接地的所有地方都保證絕緣電阻50M的起碼要求也不容易滿足，再加上機殼和屏蔽線等還處處存在著分布電容耦合，產(chǎn)生交流地回路電流。因此采用信號隔離是一種更實際、有效的解決辦法。采用各種隔離模塊即是工程上的常用方法。,.,103,隔離模塊的作用,1.克服分散采集信號傳輸距離遠帶來的地回路干擾強電干擾問題。2.解決多路信號進入同一計算機的數(shù)據(jù)采集板互相干擾問題。輸入信號經(jīng)過隔離模塊后可以接成單端方式。3.解決工業(yè)現(xiàn)場不同廠家來源，不同年代的儀器儀表設備計算機之間的信號接口問題，實現(xiàn)模擬信號的自由連接。4.解決傳感器或儀表安裝不當或傳輸線絕緣屏蔽不夠使信號引入共模干擾的問題。5.克服變頻調(diào)速器帶來的干擾。6.防止帶有強干擾和危險電勢的信號直接進入計算機、PLC、DCS、變頻調(diào)速器等測控設備造成損壞。7.為電器開關柜信號調(diào)理端子柜儀表柜變送器柜PLC控制柜等提供一個體積小安裝緊湊連線方便整齊劃一的設備安裝方式。8.給計算機配置功率輸入輸出接口能力。,.,104,隔離模塊的種類很多，如標準信號隔離轉(zhuǎn)換類、雙極性電壓隔離轉(zhuǎn)換類、無源隔離類、隔離配電器類、小信號隔離放大轉(zhuǎn)換類、高電壓隔離轉(zhuǎn)換類、頻率電壓隔離轉(zhuǎn)換類、隔離變送類、開關量接口類、交流電量變送類、功率輸出模塊、標準分流器、電源類等。可根據(jù)實際需要選用合適種類、參數(shù)的隔離模塊。,.,105,.,106,.,107,隔離模塊用于現(xiàn)場接線,.,108,5.6采用監(jiān)控定時器Watchdog的抗干擾措施,監(jiān)控定時器(監(jiān)督定時器)，也稱為看門狗定時器(Watchdog)。使用Watchdog技術是一種防止尖峰脈沖干擾的有效方法。當侵入的尖峰脈沖干擾使程序編碼的某一位(或數(shù)位)發(fā)生改變時，程序所呈現(xiàn)的外在表現(xiàn)可能為“飛掉”、“死機”、“死循環(huán)”。此時，利用監(jiān)控定時器Watchdog技術可以幫助系統(tǒng)自動地恢復正常運行。此方法是目前用于監(jiān)視跟蹤程序運行是否正常的有效方法之一，并已得到廣泛的應用。,.,109,5.7軟件抗干擾措施,對計算機控制系統(tǒng)的干擾，往往具有隨機性且頻譜范圍很寬，因此，在采用硬件抗干擾措施的同時，還必須加入軟件抗干擾措施，以確保系統(tǒng)的正常運行。工業(yè)控制計算機的抗干擾性能根本在硬件結構。硬件的設計應當盡可能的完善，而軟件的編制則要處處考慮到硬件可能的失效，可能受到的干擾等種種問題，在保證實時性、控制精度和控制功能的前提下，盡力提高系統(tǒng)的抗干擾性能。軟件抗干擾措施是硬件抗干擾措施的補充，把硬件和軟件有機的結合起來，一個經(jīng)得起長期現(xiàn)場考驗的盡可能完善的工業(yè)控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)。,.,110,5.7.1軟件出錯對系統(tǒng)的危害,.,111,1.數(shù)據(jù)采集不可靠,在數(shù)據(jù)采集通道，盡管已采取了一些必要的抗干擾措施，但在數(shù)據(jù)傳輸過程中仍然會有一些干擾侵入系統(tǒng)，造成采集的數(shù)據(jù)不準確形成誤差。,.,112,2.控制失靈,一般情況下，控制狀態(tài)的輸出是通過計算機控制系統(tǒng)的輸出通道實現(xiàn)的。由于控制信號輸出功率較大，不易直接受到外界干擾。但是控制狀態(tài)的輸出常常取決于某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結果，而在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，可能造成條件狀態(tài)偏差、失誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。,.,113,3.RAM數(shù)據(jù)區(qū)發(fā)生變化,根據(jù)干擾竄入渠道、受干擾數(shù)據(jù)性質(zhì)的不同，系統(tǒng)受損壞的狀況不同，有的造成數(shù)值誤差，有的使控制失靈，有的改變程序狀態(tài)，有的改變某些部件(如定時器計數(shù)器、串行口等)的工作狀態(tài)等。,.,114,4.程序運行失常,計算機系統(tǒng)引入強干擾后，程序計數(shù)器PC的值可能被改變，因此會破壞程序的正常運行。被干擾后的PC值是隨機的，這將引起程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最終可能導致程序“死循環(huán)”。,.,115,常用軟件抗干擾措施,5.7.2數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策5.7.3輸入/輸出軟件抗干擾措施5.7.4軟件冗余技術5.7.5程序運行失常的軟件抗干擾5.7.6系統(tǒng)“死鎖”的軟件對策,.,116,5.8印刷電路板的抗干擾設計原則,.,117,1.電源線布置,(1)根據(jù)電流大小，盡量調(diào)寬導線布線。(2)電源線、地線的走向應與信號的傳遞方向一致。(3)在印制板的電源輸入端應接上10100F的去耦電容。,.,118,2.地線布置,(1)數(shù)字地與模擬地分開。(2)接地線應盡量加粗，致少能通過3倍于印制板上的允許電流，一般應達23mm。(3)接地線應盡量構成死循環(huán)回路，這樣可以減少地線電位差。,.,119,3.去耦電容配置,（1）印制板電源輸入端跨接10100F的電解電容。（2）每個集成芯片的Vcc和GND之間跨接一個0.010.1F的陶瓷電容。如空間不允許，可為每410個芯片配置一個110F的鉭電容。（3）對抗噪能力弱，關斷電流變化大的器件，以及ROM、RAM，應在Vcc和GND間接去耦電容。（4）在單片機復位端“RESET”上配以0.01F的去耦電容。（5）去耦電容的引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能帶引線。,.,120,4.器件配置,（1）時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端應盡量靠近且遠離其它低頻器件。（2）小電流電路和大電流電路盡量遠離邏輯電路。（3）印制板在機箱中的位置和方向，應保證發(fā)熱量大的器件處在上方。,.,121,5.功率線、交流線和信號線分開走線,功率線、交流線盡量布置在和信號線不同的板上，否則應和信號線分開走線。,.,122,6.其它原則,.,123,5.9提高計算機控制系統(tǒng)的可靠性措施,.,124,5.9.1可靠性,計算機控制系統(tǒng)的可靠性是一個極重要的技術性能指標?？煽啃灾笝C器、零件或系統(tǒng)，在規(guī)定的工作條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)具有正常工作性能的能力。狹義的可靠性指一次性使用的機器、零件或系統(tǒng)的使用壽命。計算機控制系統(tǒng)的可靠性是指廣義的可靠性。它是可修復的機器、零件或系統(tǒng)，在使用中不發(fā)生故障，一旦發(fā)生故障又易修復，使之具有經(jīng)常使用的性能。因此，它還包含了可維修性。,.,125,衡量可靠性的指標,可靠度MTBFMTTF故障率,.,126,(1)可靠度(Reliability),指機器、零件或系統(tǒng)，從開始工作起，在規(guī)定的使用條件下的工作周期內(nèi)，達到所規(guī)定的性能，即無故障正常狀態(tài)的概率，用R(t)表示。,.,127,(2)MTBF(MeanTimeBetweenFailures),平均故障時間指可以邊修理邊使用的機器、零件或系統(tǒng)，相鄰故障期間的正常工作時間的平均值。,.,128,(3)MTTF(MeanTimeToFailures),到發(fā)生故障的平均時間指不能修理的機器、零件或系統(tǒng)至發(fā)生故障為止的工作時間的平均值，即指不可修理產(chǎn)品的平均壽命。,.,129,(4)故障率(FailureRate),通常指瞬時故障率。它是指能工作到某個時間的機器、零件或系統(tǒng)，在連續(xù)單位時間內(nèi)發(fā)生故障的比例，用(t)表示。又稱失效率、風險率。(t)等于t以后的單位時間內(nèi)失效元件數(shù)與t時刻仍有效的元件數(shù)之比。,.,130,5.9.2提高可靠性的途徑,計算機控制系統(tǒng)的可靠性是評估計算機控制系統(tǒng)的一個重要性能指標。在評估系統(tǒng)可靠性時，可以采用那些提高系統(tǒng)可靠性的措施來分析。除了系統(tǒng)制造時應該保證符合設計要求外，通?？梢詮目煽啃栽O計和維修性兩方面進行分析。,.,131,1.可靠性設計的準則,可靠性設計是用于實現(xiàn)設計質(zhì)量，即可靠性、性能、效率、安全、經(jīng)濟等項指標的設計。采用了可靠性設計，就能設計出在使用過程中不易發(fā)生故障、即使發(fā)生故障也易修復的產(chǎn)品。,.,132,有效地利用以前的經(jīng)驗。盡可能減少零件件數(shù)，尤其是故障率高的零件數(shù)。采用標準化的產(chǎn)品。檢查、調(diào)試和互換容易實現(xiàn)。零件互換性好?？煽啃蕴厥庠O計方法，例如，可靠度合理分配、冗余設計、安全裝置設計、可靠性預測等。,通常在可靠性設計時需遵循的準則：,.,133,日本橫河公司對集散系統(tǒng)的可靠性設計提出的3個準則,（1）系統(tǒng)運行不受故障影響的準則這條準則包含兩方面的內(nèi)容。冗余設計可以使系統(tǒng)某一部件發(fā)生故障時能夠自動切換。多級操作可以使系統(tǒng)某一部件發(fā)生故障時能夠旁路或者降級使用。（2）系統(tǒng)不易發(fā)生故障的準則這條準則是重要的可靠性設計準則。即從系統(tǒng)的基本部件著手，提高系統(tǒng)的MTBF。（3）迅速排除故障的準則這是一條重要的維修性設計準則。它包括故障診斷、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視、部件更換等設計。,.,134,2.提高計算機控制系統(tǒng)硬件可靠性的措施,.,135,(1)冗余結構設計,冗余結構