流量计检定系统的抗干扰设计
检定系统的抗干扰设计是基于系统的可靠运行方面的考虑,由于该系统是个微机测控系统,容易受到各种干扰而产生误动作或产生错误的采集。而且这个系统用到了变频设备,变频器的干扰是个重要的干扰源,所以在设计流量计检定系统时必须考虑抗干扰的问题。
1 电气设备抗干扰的一般技术
电气设备的干扰一般指的是电磁干扰[1],抑制电磁干扰的方法可以分为硬件抑制和软件抑制方法[2l。
1.1 硬件方法
(1)滤波技术
在信号传输中,由于各种因素的影响,在信号上往往会叠加很多干扰噪声而妨碍系统正常工作。加入滤波器就是使有用信号频率能有效通过,而抑制噪声频率的通过。根据信号的频谱特性,可将滤波器设计为低通、高通、带通和带阻4种。根据滤波器的结构可分为无源滤波器和有源滤波器两类。
(2)隔离技术
把从测控现场引进的干扰通道切断,从而达到隔离现场干扰的目的。常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离和变压器隔离三种。
(3)屏蔽与接地技术
屏蔽与接地是提高系统抗干扰能力、抑制噪声的重要手段。屏蔽是指用屏蔽体把通过空间与电场、磁场或电磁场的耦合通道隔离。良好的屏蔽是和接地紧密相连的。接地又分为安全接地、工作接地和屏蔽接地三类。
(4)去耦技术
数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流,并在传输线和供电电源内阻上产生较大的压降,形成严重干扰。为了抑制这种干扰,在电路中要配置去耦电容,即在门电路的电源端与地线端加接电容。
1.2 软件方法
对微机系统的干扰,往往具有随机性且频谱范围很宽,因此,在采用硬件抗干扰措施的同时,还必须加入软件抗干扰措施,以确保系统的正常运行。常用的软件抗干扰技术有:
(1)数字滤波技术
用来抑制叠加在模拟输入信号上的噪声。尤其适用于硬件滤波难以消除的偶然脉冲干扰、低频干扰和周期性波动干扰的场合。
(2)“看门狗”技术
这是一种由硬件或软件或两者结合的抗干扰技术。微机系统受到强干扰产生失控,引起程序乱飞或使程序陷入死循环,而测控系统的应用程序往往采用循环运行方式,循环时间固定。“看门狗”技术就是不断监视循环运行时间,发现超时,则认为系统陷入死循环,系统就自动复位并从0000H地址重新启动。
2 检定系统的抗干扰设计
检定系统的抗干扰设计主要有三个方面:(1)采集系统的抗干扰设计;(2)供电系统的抗干扰设计;(3)变频器的谐波抑制。
2.1 流量数据采集系统的抗干扰设计
流量数据采集系统指的是工控机和ADAM500及I/0模块。通过采取以下一些接地和屏蔽措施,能有效地抑制电磁干扰[3]。
(1)采取模块信号端子板连接
(2)采取ADAM5000单端接地
模块的数字输入输出公共端与ADAM5000的GND连接,信号线外层使用屏蔽线,然后在ADAM一端接地。
(3)工控机与ADAM5000的地线连接
(4)这个系统地线与“大地”连接
2.2 流量数据采集系统的软件抗干扰设计
前面提到,抗干扰方法有软件措施,有硬件措施,也有软件硬件相结合的措施。在流量检定系统中同时使用了软件抗干扰措施――数字滤波。
流量脉冲信号到工程数字量的转化以及工程流量数字信号转化为模拟控制信号,在转化过程必然存在干扰的侵入,为了确保转化结果的可靠,必须多次采样,得到一系列的数据序列,通过某种处理才能得到可信度较高的结果。这种从数据系列中提取逼近真值的数据软件算法,通常称为数字滤波算法。数字滤波算法主要是抑制随机性干扰。数字滤波方法有多种,每种方法各有优缺点,在本系统中使用的是去极值平均滤波方法。
2.3 供电系统的抗干扰设计
流量计检定系统中采用交流和直流供电。工控机和ADAM模块所需直流电是市电经过变压、整流、滤波、稳压后得到的。由于变压器的初级绕组接在市电电网上,电网上的各种干扰便会引入系统。
为了有效地降低电源干扰,保证系统可靠运行,在设计电源供电电路时采用交一交隔离和直一直隔离变换器。
2.4 变频器谐波干扰抑制
自动检定系统中用变频器来调整电动机的转速,从而达到控制流量的目的。由于变频器的存在,不可避免地存在谐波干扰的问题。流量计检测系统的抑制谐波干扰措施有两个。
(1)切断干扰的传播途径
a.通过共用的接地线传播干扰是干扰传播的最普遍的方式。将动力线的接地与控制线的接地分开是切断这一途径的根本方法,即将动力装置的接地端子接到地线上,将控制装置的接地端子接到该装置盘的金属外壳上。
b.信号线靠近有干扰源电流的导线时,干扰会被诱导到信号线上,使信号线上的信号受到干扰,布线分离对消除这种干扰行之有效。实际布线时常常把高压电缆、动力电缆、控制电缆与仪表电缆、计算机电缆分开走线,分走不同的桥架。
(2)抑制干扰源上的高次谐波
抑制高次谐波的方法很多,各有优缺点。在本系统中运用如下方法:
a.在变频器前侧安装线路电抗器,抑制电源侧过电压,并能降低由变频器产生的电流畸变,避免使主电源受到严重干扰。
b.在变频器前加装LC电路无源滤波器,滤掉高次谐波。滤波器包括很多级,每一级滤掉相应的高次谐波。通常滤掉5次和7次谐波,但该方法完全取决于电源和负载,灵活性小。
C.变频器与工控机及I/O模块分室安装。
3 结论
本系统采用上述措施后,高频的辐射电流被限制在本系统内部,向外的辐射大大减弱,离系统2m的范围内干扰比较明显,而2m以外则很快减弱。由此可见,采用的抗干扰措施的效果非常明显,从而可以忽略其对周围其它设备的干扰。实践证明,在设计流量计自动检定系统时,应用必要的抗干扰技术,是流量计检定系统安全可靠运行的必要保证。针对本文介绍的抗干扰技术可以应用到类似的自动化系统的设计中。
参考文献
[1]高攸纲.电磁兼容总论[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.
[2]白同云,吕晓德.电磁兼容设计[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.