基于分布式采集模式的強電磁場抗干擾方法

嚴 波

（作者單位：國家新聞出版廣電總局二〇二三臺）

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基于分布式采集模式的強電磁場抗干擾方法

嚴 波

（作者單位：國家新聞出版廣電總局二〇二三臺）

摘 要：本文從理論和實際兩個層面，深入分析了中短波發(fā)射臺自動化系統(tǒng)集中采集取樣信號不穩(wěn)定的原因，提出分布采集模式+短距離傳輸線路雙屏蔽方法，解決模擬信號受干擾問題，并在實際應用中取得了非常好的效果，對強電磁干擾環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集，具有較高的借鑒意義。

關鍵詞：中短波；電磁干擾；集中采集；分布采集

隨著科技的發(fā)展，大量自動化系統(tǒng)應用于中短波廣播電臺的安全播出工作中，而對于電磁環(huán)境惡劣的中短波發(fā)射電臺，有些自動化系統(tǒng)的前端采集點分布廣，距離干擾源近，數(shù)據(jù)采集環(huán)境非常不理想。保證采集端數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，使其不受高頻電磁干擾影響，是實現(xiàn)自動化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提，也是在強電磁環(huán)境下，設計自動化系統(tǒng)必須考慮的因素。本文提出了一種基于分布采集模式的強電磁場抗干擾方案，其在實際中得到了很好的驗證。

1 信號采集

圖1 信號采集模型

1.1 信號采集模型有線信道，但多數(shù)采集信號屬于模擬信號，如發(fā)射機各個器件的輸入/輸出電壓、電流、溫濕度、水壓、駐波比等。自動化系統(tǒng)的傳輸線路并不是在所有場合都適用無線傳輸，有線信道的應用場合更加廣泛，比如，發(fā)射機的各種表值、狀態(tài)的取樣等。所以，雖然數(shù)字信號和無線信道抗電磁干擾能力都較強，但模擬電信號的有線信道傳輸更為常用。因此，對有線傳輸信道模擬信號的抗干擾分析是非常有必要的。

1.2 信號采集模式

3 分布采集數(shù)據(jù)模型

取樣信號的采集模式，分為集中采集和分布式采集兩種，典型集中采集的信號設備是PLC。如圖2所示，PLC將來自不同采集地點的取樣信號匯集一處，集中處理，并集中輸出控制信號。典型的分布式信號處理設備是研華的ADAM模塊，如圖3所示，它能將數(shù)據(jù)處理功能劃整為零，將數(shù)據(jù)處理功能分攤到多個數(shù)據(jù)處理模塊上，而這些數(shù)據(jù)模塊既

圖1是典型的自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式模型，數(shù)據(jù)采集設備將采集到的取樣信號，以電或光信號的方式，經(jīng)傳輸線路送給數(shù)據(jù)處理設備進行處理。

在這個模型中，取樣信號可以是數(shù)字信號，也可以是模擬信號，傳輸線路可以是有線，也可以是無線信道，雖然數(shù)字信號的抗干擾能力明顯優(yōu)于模擬信號，無線傳輸信道的工作頻段也遠遠高于廣播的工作頻段，抗干擾性明顯強于可以分散放置在離采集端非常近的地點，也可以與其他數(shù)據(jù)模塊進行數(shù)據(jù)交互。

1.3 集中采集模式的弊端

從圖1可以看出，無論采用哪種數(shù)據(jù)采集模式，中短波電臺的數(shù)據(jù)采集和處理設備，都暴露在強電磁環(huán)境下。電磁干擾通過以下三種干擾方式影響數(shù)據(jù)采集信號的準確性。一是直接作用于數(shù)據(jù)采集或處理設備，干擾設備內(nèi)元器件，使其無法正常工作；二是作用于數(shù)據(jù)采集或處理設備的電源，使設備供電不正常；三是直接作用于傳輸信道，使傳輸信號發(fā)生畸變。對于集中式和分布式兩種數(shù)據(jù)采集方式來說，經(jīng)常會遇到前兩種干擾方式，二者抗干擾措施基本相同，一般都是增加電源濾波器或磁環(huán)。根據(jù)實際的電磁特性，選擇具有較好電磁屏蔽效果和厚度適宜的材料制作屏蔽機箱，同時，提供良好的接地（最好接地阻值在1歐姆以下），為電源和屏蔽機箱提供良好的靜電泄放通路。而這兩種截然不同的數(shù)據(jù)采集方式，最大的區(qū)別在于傳輸信道干擾程度不同，這是本文討論的重點，下面將重點分析。

集中采集模式的弊端在于數(shù)據(jù)傳輸線路過長，特別是模擬信號，易受強電磁干擾，信號波形嚴重失真，造成數(shù)據(jù)處理設備無法正確獲得取樣數(shù)據(jù)的數(shù)值。由于短波工作在3～26M范圍，常用頻段在6～21M，波長范圍在14.28～50m，查閱電磁干擾相關書籍可知，當傳輸線長度大于電磁信號1/4個波長時，電磁信號就會對傳輸信道的信號產(chǎn)生干擾。在實際有線傳輸信道，經(jīng)常會采用多種抗干擾措施，但如果自動化系統(tǒng)前端采集設備到數(shù)據(jù)處理設備的傳輸距離大于1/2個波長，在強電磁干擾源的作用下，即使采取多種抗干擾措施，并不能起到很好的抗電磁干擾效果。

1.4 分布采集模式

集中采集模式，如果傳輸信道距離大于1/2個波長，模擬信號在有線傳輸信道存在嚴重干擾，原因有二，一是傳輸信號是模擬信號，二是傳輸線路過長。但模擬信號在有線信道傳輸中是不可避免的，所以，一方面要盡可能縮短有線傳輸信道的距離，使作用于有線信道的抗干擾措施發(fā)揮作用，讓干擾控制在有效范圍內(nèi)；另一方面，將模擬信號轉換為數(shù)字信號，提高信號的抗干擾性。但在集中采集模式下，如果采集點分布較為分散，縮短某一個采集點到數(shù)據(jù)處理匯聚點的距離，必然意味著增加另一個采集點到數(shù)據(jù)處理設備的距離。所以，要想解決模擬信號長距離傳輸，使其不受干擾，必須跳出集中采集模式的思維定勢，從另一個角度解決集中采集模式存在的問題，也就是將數(shù)據(jù)處理設備化整為零，采用分布采集模式，拉近數(shù)據(jù)處理設備到所有數(shù)據(jù)采集點的距離，就近處理采樣信號，同時，將模擬信號轉換為數(shù)字信號，從而提高采集信號的抗干擾性。

圖5 PLC測試溫度曲線

圖6 ADAM測試溫度曲線

圖4 PLC、ADAM測試示意圖

1.5 多層屏蔽的短距離傳輸線路

解決了長距離傳輸線路問題，接下來就要解決傳輸線路干擾問題。在強電磁場環(huán)境下，傳輸線路是非常好的接收天線，所以，必須在采用分布采集模式的基礎上，提高傳輸線路的屏蔽效果。采用分布采集模式，將模擬信號傳輸距離控制在半個波長范圍內(nèi)，再采取抗干擾措施，解決干擾問題。電磁干擾對傳輸線路的影響，可以分為電場耦合和磁場耦合兩種。傳輸線路可以采用兩層屏蔽模式，外層屏蔽采用雙端接地，用來消除磁場耦合，通過中間多點接地方式，把傳輸線路控制1/4個波長范圍內(nèi)；內(nèi)層屏蔽選接地良好的一端接地，用來消除電場耦合，同時，減小屏蔽層的孔徑，減低電磁信號的衍射干擾。如果電磁波信號強度非常強或者采集點距離干擾源非常近，可以考慮三層以上的屏蔽層，采用電場和磁場交叉屏蔽的方式設置接地方式。

2 實際測試

2.1 運行效果

為了驗證理論分析是否與實際相符，以PLC為代表的集中采集模式和以ADAM模塊為代表的分布采集模式，在某臺500kW短波發(fā)射機房，作為溫控自動化系統(tǒng)兩個測試方案，進行為期一個月的測試。該機房共有6部發(fā)射機，擺放在長約70米的機房大廳。兩個測試方案都需要采集每部發(fā)射機出/入水溫度和水位液面位置的模擬量，共計18個模擬量；PLC采用集中采集數(shù)據(jù)模式，最遠的采集點距離PLC近40m；而ADAM模塊采用分布式數(shù)據(jù)采集，每部發(fā)射機可以根據(jù)采集點的數(shù)量和距離，采取就近安裝方式，選擇安裝一塊或多塊ADAM模塊采集數(shù)據(jù)，每個采集點距離ADAM模塊不超過1/2個波長（21M頻率）距離。PLC和ADAM模塊與采集點的傳輸線路，均采用雙層屏蔽方式，外層兩端接地，內(nèi)層在采集點采用單端接地方式，此外，PLC的傳輸線路，在外層屏蔽層中還做了多點接地；PLC和ADAM在接收到采集信號后，都采用數(shù)字信號將數(shù)據(jù)發(fā)送給位于現(xiàn)場的上位機。如圖4所示。

經(jīng)過實際測試，采用分布式采集模式+短距離傳輸線路雙屏蔽方式，效果明顯優(yōu)于集中采集+長距離傳輸線路雙屏蔽方式。圖5是17M頻率下，采用集中采集模式，B03機的溫度采集數(shù)據(jù)曲線，從圖中可以看到，使用同樣的抗干擾措施，依然會有較強的干擾信號；而采用分布采集模式，在為期一個月的時間里，在同一時間段、同一頻率下，即使500kW的天饋線距離采集點不到10m，上位機顯示的B03機溫度采集數(shù)據(jù)，如圖6所示，曲線比較平滑，符合設備操作運行規(guī)律，測試達到了預期效果。

本方法已經(jīng)在兩個短波發(fā)射機房成功實施，截至目前，設備穩(wěn)定，運行情況良好。

3.2 經(jīng)濟成本

在測試中，雖然ADAM模塊的數(shù)量多于PLC，但統(tǒng)計實際需求采集點數(shù)量，經(jīng)過具體測算，購買ADAM模塊的預算少于購買PLC模塊的預算。

3 結語

中短波發(fā)射電臺，由過去傳統(tǒng)的手動操作廣播發(fā)送設備，改變?yōu)樽詣踊到y(tǒng)控制廣播發(fā)送設備，廣播發(fā)送設備的自動化，降低了值班員的勞動強度，提高了設備的穩(wěn)定性，縮短了指令的響應時間。自動化徹底改變了電臺的工作方式，但這一切都建立在自動化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的基礎上，筆者站在實際工作的角度，提出分布式采集模式+短距離傳輸線路雙屏蔽的抗干擾方法。發(fā)射電臺自動化系統(tǒng)，其最大的難點就是抗電磁干擾問題。在高頻環(huán)境下，往往需要采取多種措施，才能徹底解決中短波全頻段上的干擾問題。限于篇幅和作者能力，無法在此一一列舉，文章若有描述不當之處，希望各位老師、同仁能批評指正。