控制系统的电磁兼容性

　　1 概述

　　控制系统通过输入通道采集被控对象的相关运行参数，经中央数字处理单元 DPU 运算处理后通过输出通道发出控制指令，由执行结构调节控制对象的控制参数，最终使控制对象的被控参数跟随给定参数变化。控制系统的实际运行环境不可避免地充满作各种电磁干扰，闭环控制系统的各个环节因电磁干扰出现功能失常，都将造成被控参数偏离给定参数的要求，使产品质量下降。严重时会使被控对象停止运行，甚至损坏被控对象。提高控制系统的兼容性，使其在电磁干扰环境下也能顺利完成规定的控制任务具有非常重要的意义。

　　控制系统的电磁干扰主要有来自外部的：空间辐射干扰、电源线传导干扰、信号线传导的干扰、接地系统干扰;来自内部的：电源/地噪声、信号间串扰、信号传输反射干扰。控制系统的电磁兼容性设计任务是研究产生干扰的机制、抑制干扰的措施，保障控制系统在规定的干扰环境，能完成规定的任务。在偶然出现强干扰后，控制系统也能自动恢复正常运行，并且被控对象运行状态变化在可接受的范围内。我们可以从设法减小干扰源的强度、抑制干扰的传输、降低设备对干扰的敏感度等三个方面入手。

　　2 减小干扰源的强度

　　2.1 限制信号边沿时间

　　在控制的电子设备中，随着信号的传递必然伴随着电压或电流的变化。随着电路板工作频率的增加，要求信号边沿的上升时间和下降时间越来越小，电压或电流变化得越快干扰强度也越大。因此可能的情况下应尽量采用响应速度较低的器件，必要时可在信号驱动端的信号线在串联一个小电阻，减小信号变化速率。

　　2.2 降低地阻抗

　　信号地线公共阻抗上的电位差，对信号的传递会产生干扰。干扰随着信号瞬间电流增大、频率增高、阻抗增大而增大。采用完整地平面为信号提供低阻抗返回路径。对于1MHz以下部分常采用单点接地方式，更高频率部分常采用多点接地方式。

　　2.3 降低电源噪声

　　开关电源工作在高频开关状态，会产生高频电磁辐射沿导线和空间向外传播，干扰其它电子设备。通常在开关电源输入输出两端需设置高抑制比的π型滤波器，并且必要时还应加屏蔽罩。

　　在器件的电源地之间设置滤波电容、电感，不但可降低电源线的噪声，而且可减小对电源干扰的敏感度。

　　2.4 降低时钟信号噪声

　　时钟信号频率高、边沿陡峭易产生电磁干扰，应尽量减少时钟信号的走线长度，减少过孔，采用终端阻抗匹配以避免信号反射。给时钟信号提供完整的返回通路，尽量减小信号回路面积。用地线将时钟信号与敏感线路隔离。

　　3 抑制干扰的传输

　　3.1 屏蔽电缆

　　控制系统的I/0信号电缆通常很长，铺设环境电磁环境较差，为了隙住经导线因电磁感应而产生干扰，需要采用屏蔽电缆。屏蔽线必须采用一端接地，避免形成地环路造成干扰。通常选择电子控制设备集中的机柜侧接地。

　　3.2 屏蔽罩

　　采用导电性能好的铁磁性材料制作电子控制设备的外壳机箱、机柜，可减少空间高频电磁场对控制系统的干扰。设法机箱各金属件间可靠电气连接不但可提高屏蔽效果，而且降低静电的影响。尽量减小通风孔、缝隙尺寸，必须也对其采取屏蔽措施，抑制电磁辐射。

　　3.3 接地

　　按照接地功能可分为保护地、信号地。设备外壳金属部分必须良好接地(保护地)，以保护人身安全。信号地是整个控制系统工作的参考电位。由于一个工业控制系统的I/0 信号分布区域较大，为了减小地电位波动对系统的干扰，应采用“实地”，避免采用“浮地”。

3.4 电源滤波器

　　公共电源线路上挂接了许多用电设备，某些大型设备，如电机、变频器等，在工作时会产生大量谐波。应在控制设备的电源输入端设置电源滤波器，以抑制沿电源线路传导来的干扰。

　　3.5 抑制串扰

　　为了减小模拟电路与数字电路间的串扰，应将模拟、数字电路分开布局;应尽量缩短导线长度和增大导线间的距离，增大电源平面和地平面，以减小信号线路间的互感、互容。

　　4 降低对干扰的敏感度

　　(1)设置保护器件

　　电磁干扰极易沿导线引入对控制设备造成干扰。在控制设备进、出线端设置适当的保护器件。如 TVS 管、压敏电阻、气体放电管、自恢复保险等。

　　(2)设置信号滤波

　　在敏感电路中适当设置滤波、限幅电路，抑制干扰信号强度。采用工频限波算法软件滤波。

　　(3)处理空闲管足

　　闲置不用的输入管足不能悬空，应将其连接到电源或地。

　　(4)采用差分传输电路

　　差分平衡电路具有很好的对称性，可大幅度抑制共模干扰。对称差分信号的共模电压为零，信号幅度也仅为单端信号的一半，因此产生的干扰也小一半。对于远距离传输的微弱信号、高频率信号建议采用差分传输方式。

　　(5)采用隔离电路

　　采用隔离电路(如光隔离器、变压器)将各系统隔离开来，可有效抑制共模电压产生的干扰。在A/D、D/A转换器与信号端子间应设置运算放大器，以降低干扰影响。

　　(6)抑制尖脉冲

　　采用适当硬件电路及固件措施，将脉冲宽度小于预定值的干扰信号滤除。

　　(7)合理设置复位信号

　　分别给各智能芯片设置复位信号，使CPU在检测到某智能芯片功能异常时，先通过向该芯片发送控制字唤醒它，若不行可复位信号仅使该芯片复位，可避免故障扩大。

　　(8)采用可靠的时钟信号

　　因A/D芯片易受干扰，应尽量避免采用A/D芯片内部时钟。

　　(9)输出保持

　　在控制设备刚上电时(冷启动)，控制输出信号(开出、模出)的初始值应保持掉电时的状态。

　　在控制设备正常运行期间，若WATCHDOG动作CPU复位(热启动)，控制输出信号应保持不变。

　　(10)冗余设计

　　采用周期循环输出控制信号;设置冗余设备采用冗余裁判(3取2、3取中等)逻辑。

　　(11)信号跟踪

　　通讯线路离线后刚上线时，向控制设备写出的初始信号应跟踪控制设备中该信号原来的值。避免因通讯离线、上线，给控制系统造成影响。

5 电磁兼容性测试

　　通过试验检测控制设备在特定电磁干扰环境下的抗干扰能。要求控制设备在干扰环境下的能正确完成预定的控制功能。若控制设备出现短暂精度下降、复位等现象，只要不对被控对象参数造成不可接受的影响，干扰消失后控制设备能迅速恢复正常，还是可以接受的。不允许控制设备在干扰环境下出现永久性失效的情况。

　　(1)静电放电试验

　　模拟人体带电、带电设备接近或接触控制设备时通过静电放电产生的干扰。由于放电电流非常大且持续时间很短，若放电回路中有电子元器件，易将其损坏。电流产生的电磁辐身娜使CPU复位、CPU死机、通讯离线。

　　应对人体所有可能接触到的金属部分(外壳、接线端子、接插件)按GB/T 17626.2标准要求电压大小进行接触放电和空间放电试验。

　　试验合格判据：控制设备不损坏、CPU不死机、开关量I/O信号无错误、模拟量I/0信号精度不低于1%，干扰消失后控制系统能自动恢复正常。

　　(2)快速瞬变脉冲群试验

　　模拟电网中感性负载切除时产生的脉冲干扰。干扰信号通过电源线、I/0信号线传导进控制设备，若处理不当易造成I/0信号误差、通讯离线、CPU死机等现象。

　　按GB/T 17626.4标准要求对控制设备的电源线、I/O信号线进行快速瞬变脉冲群试验。

　　试验合格判据：控制设备不损坏、CPU不死机、开关量I/O信号无错误、模拟量I/0信号精度不低于1% ，干扰消失后控制系统能自动恢复正常。

　　(3)浪涌冲击试验

　　模拟电网中容性负载投入时产生的脉冲干扰。干扰信号通过电源线、I/0信号线传导进控制设备，若处理不当易造成I/0信号误差、通讯离线、CPU死机、元器件损坏等现象。

　　按GB/T17626.4标准要求对控制设备的电源线、I/0信号线进行快速瞬变脉冲群试验。

　　试验合格判据：控制设备不损坏、CPU不死机、开关量I/O信号无错误、模拟量I/0信号精度不低于1% ，干扰消失后控制系统能自动恢复正常。

　　(4)电压暂降试验

　　模拟电网中大型设备投入时引起的电压突降现象。电源突降易造成CPU死机、通讯离线等现象。

　　按GB/T 17626.10标准要求对控制设备电压暂降试验。

　　试验合格判据：控制设备不损坏、CPU不死机、开关量I/O信号无错误、模拟量I/0信号精度不低于1%，干扰消失后控制系统能自动恢复正常。

　　6 总结

　　提高控制系统的兼容性，使其在电磁干扰环境下也能顺利完成规定的控制任务具有非常重要的意义。我们在智能透平控制器的开发设计过程中，不仅要正确实现产品规格书所要求的各种控制功能，而且还按照本文介绍的方法考虑产品的电磁兼容性问题。 2009年3月生产的首台样机在和利时公司电磁兼容实验室通过了静电放电、快速瞬变脉冲群、浪涌冲击、电压暂降等实验室所有的试验项目严格测试。并且首台智能透平控制器已在浙江龙游一家电厂投入连续运行，实践证明该产品功能正常、性能稳定可靠。

　　作者简介：刘康宁( 1963 一)男，四川德阳人，高级工程师，计算机应用硕士。在杭州和利时自动化有限公司从事 DEH 控制系统研究设计工作，现任杭州和利时自动化有限公司副总工程师兼 DEH 技术总监。