電子自動(dòng)化控制中的干擾因素及改善研究

李明杰 張秀蓉 陳駿志

石家莊市科技合作與創(chuàng)新平臺(tái)中心 河北 石家莊 050000

引言

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展背景下，我國(guó)工業(yè)發(fā)展進(jìn)程離不開(kāi)電子自動(dòng)化控制技術(shù)在多方領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的健全與完善，不僅控制著電子控制設(shè)備的運(yùn)行，形成自動(dòng)化控制設(shè)備體系，還對(duì)改善電氣工程運(yùn)行質(zhì)量，在提升電氣工業(yè)化生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)效益方面，具有關(guān)鍵意義。但是這項(xiàng)技術(shù)與其他科學(xué)技術(shù)一樣，也存在技術(shù)本身的問(wèn)題，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，其最主要的問(wèn)題是干擾因素的產(chǎn)生，會(huì)對(duì)設(shè)備造成信息錯(cuò)誤和故障問(wèn)題。因此，需要確保自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性，需深入分析，確立解決控制系統(tǒng)問(wèn)題的方法。

1 電子自動(dòng)化控制原理

電子自動(dòng)化控制其實(shí)質(zhì)是確保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)中的穩(wěn)定，通過(guò)自動(dòng)化控制方式，完成對(duì)信息的記錄和分析工作，并將自動(dòng)化生產(chǎn)中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)自動(dòng)分類(lèi)與整合，以自動(dòng)化技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)分析并呈現(xiàn)出最終的結(jié)果并反饋到系統(tǒng)中，確保數(shù)據(jù)有效流通。結(jié)合電子自動(dòng)化控制原理類(lèi)型來(lái)分析，主要分為兩個(gè)方面，即開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。首要任務(wù)需要先明確開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制兩個(gè)系統(tǒng)的概念，但是在此之前，需要先明確反饋的概念，因?yàn)榉答伿菂^(qū)分開(kāi)環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。反饋是指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進(jìn)而影響系統(tǒng)功能的過(guò)程。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸入影響輸出而不受輸出影響的系統(tǒng)，其不足在于對(duì)抗干擾能力有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。閉環(huán)系統(tǒng)的輸入影響輸出的同時(shí)又受到輸出的直接或間接影響。所以，從自動(dòng)化控制原理來(lái)看，“開(kāi)環(huán)控制”與“閉環(huán)控制”最顯著的區(qū)別在于控制系統(tǒng)中是否有反饋環(huán)節(jié)。 簡(jiǎn)言之，就是在控制系統(tǒng)中存在反饋環(huán)節(jié)的就是閉環(huán)控制，而沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)的就是開(kāi)環(huán)控制。為此，在研究過(guò)程中應(yīng)予以高度重視。

2 電子自動(dòng)化控制出現(xiàn)的干擾因素

2.1 靜電干擾

我國(guó)在珠三角﹑長(zhǎng)三角等地方都集中了眾多電子產(chǎn)品加工企業(yè)。但是很多企業(yè)在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察時(shí)，盡管提前做好了精心的設(shè)計(jì)和充分的準(zhǔn)備工作，但是還是會(huì)因?yàn)镋SD（“靜電釋放”）問(wèn)題而影響業(yè)務(wù)進(jìn)展，甚至被國(guó)際大客戶(hù)拒之門(mén)外。因此，當(dāng)務(wù)之急需要提升ESD技術(shù)水平，圍繞靜電發(fā)生的根源及危害，從問(wèn)題著手，針對(duì)性做好靜電防護(hù)措施。靜電是一種客觀存在的自然現(xiàn)象，對(duì)工程運(yùn)行狀態(tài)和安全會(huì)造成嚴(yán)重威脅，其產(chǎn)生方式一般會(huì)通過(guò)接觸﹑電器之間的感應(yīng)等作用方式而產(chǎn)生，其原因是因?yàn)樵谠O(shè)備運(yùn)行中，因所產(chǎn)生的電流較大，電荷數(shù)增加，形成較大電場(chǎng)，使電容出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，對(duì)電子電器產(chǎn)品造成損壞，影響自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于抗靜電干擾，做好靜電安全防護(hù)需要遵循兩方面原則：一是抑制靜電電荷的產(chǎn)生，阻斷靜電電荷的積累過(guò)程；二是采用抗靜電干擾措施，其中最為普遍和有效的方法，即通過(guò)接地來(lái)處理靜電問(wèn)題[1]。

2.2 磁場(chǎng)耦合

磁場(chǎng)耦合干擾是指大電流周?chē)艌?chǎng)對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備回路耦合形成的干擾。通常會(huì)產(chǎn)生這種磁場(chǎng)干擾現(xiàn)象的電子電器主要包含動(dòng)力線(xiàn)﹑電動(dòng)機(jī)等。在設(shè)備工作狀態(tài)中受到外界因素的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)了與信號(hào)不相關(guān)的現(xiàn)象，加大數(shù)據(jù)誤差可能性。一般出現(xiàn)干擾現(xiàn)象需要具備三個(gè)方面的要素，即干擾源﹑傳播途徑和接收載體，三者缺一不可。干擾源主要是指產(chǎn)生干擾信號(hào)的設(shè)備。如變壓器﹑繼電器﹑微波設(shè)備等；傳播途徑是干擾信號(hào)的傳播路徑。主要包含兩方面：一是通過(guò)空中直線(xiàn)傳播電磁信號(hào)；二是借助導(dǎo)線(xiàn)將電磁信號(hào)傳入設(shè)備；接收載體是在受到干擾信號(hào)影響的設(shè)備中的某個(gè)環(huán)節(jié)，在這個(gè)環(huán)節(jié)中融入了干擾信號(hào)，并將干擾信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為對(duì)設(shè)備運(yùn)行和安全性能有影響的參數(shù)[2]。

2.3 電磁輻射

電磁干擾包含兩種干擾方式，即傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。解決傳導(dǎo)干擾可以采取以下方法：第一，盡可能減少每個(gè)回路的有效面積。從傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生的過(guò)程來(lái)看，如圖1回路電流產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾所示。將每個(gè)電流回路看成一個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈，電流流經(jīng)某一回路，其他回路會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)，以此通過(guò)電流回路間的相互作用和影響造成干擾。第二，通過(guò)屏蔽抗干擾方式，利用帶有導(dǎo)電性質(zhì)的材料，打造屏蔽層，將干擾源包裹起來(lái)，切斷和降低干擾源在空間耦合通道的電磁能量傳輸作用[3]。

圖1 回路電流產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾圖

2.3.1 來(lái)源于空間輻射干擾。空間電磁輻射干擾主要是在各類(lèi)干擾源的作用下產(chǎn)生的，如閃電雷擊﹑電視﹑高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等。以閃電雷擊為例，一般閃電引起的沖擊電流可高達(dá)100千安，但上升時(shí)間僅幾個(gè)微秒。閃電雷擊產(chǎn)生的沖擊電流會(huì)在建筑物的供電系統(tǒng)中感應(yīng)到較強(qiáng)的電壓，如果建筑物被雷電擊中，對(duì)其供電系統(tǒng)的干擾的影響性會(huì)增大。若PLC系統(tǒng)置于其射頻場(chǎng)內(nèi)，就會(huì)受到輻射干擾，其影響一是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射；二是對(duì)PLC 通信網(wǎng)絡(luò)的輻射。

2.3.2 源于系統(tǒng)外部引線(xiàn)干擾。系統(tǒng)外引線(xiàn)的干擾主要通過(guò)電源和信號(hào)線(xiàn)引入,通常稱(chēng)為傳導(dǎo)干擾。一方面，是來(lái)自電源的干擾；另一方面，是來(lái)自信號(hào)線(xiàn)引入的干擾。系統(tǒng)連接的各種傳輸信號(hào)線(xiàn)除了承載各類(lèi)信息交互和輸出功能，還會(huì)受到外部信號(hào)的干擾及影響。從干擾的途徑來(lái)說(shuō)，主要包含兩個(gè)方面：一是利用變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這一干擾途徑在工程操作中也是常被忽視的一點(diǎn)，需要加以重視；二是信號(hào)傳輸線(xiàn)受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，造成信號(hào)異常，影響信號(hào)測(cè)量的精準(zhǔn)度，更會(huì)造成元器件損傷，使數(shù)據(jù)信息發(fā)生變化﹑出現(xiàn)誤差﹑造成設(shè)備死機(jī)等情況[4]。

2.4 共阻抗干擾

設(shè)備裝置中電阻與電感應(yīng)共同作用于回路導(dǎo)線(xiàn)上，當(dāng)設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電流以回路導(dǎo)線(xiàn)為流動(dòng)載體，降低回路電壓，發(fā)生耦合現(xiàn)象，并耦合到其他回路中，讓電流受阻，產(chǎn)生共阻抗干擾。共阻抗干擾對(duì)電路的正常運(yùn)行狀態(tài)造成很大的影響，究其根源在于當(dāng)多個(gè)電路共用一根地線(xiàn)，地線(xiàn)的電壓與每個(gè)電路的工作狀態(tài)成正比。解決共阻抗干擾問(wèn)題可以采用兩種方式：一是使地線(xiàn)造成電壓降到最低，改變電源位置，縮短電源與功率放大器的距離，這樣功率放大器地線(xiàn)上的電流不會(huì)流向前級(jí)的地線(xiàn)，以此消除干擾的影響；二是避免產(chǎn)生相互影響的電路共用一根地線(xiàn)，可以將功率放大器通過(guò)一根單獨(dú)的地線(xiàn)連接到電源地，這樣就可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。

2.5 共模干擾

共模干擾在導(dǎo)線(xiàn)與地之間傳輸，屬于非對(duì)稱(chēng)性干擾，從其內(nèi)涵來(lái)看，共模干擾是指任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差。在一般情況下，共模干擾幅度大﹑頻率高，并且可以通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)對(duì)周?chē)a(chǎn)生輻射。共模干擾的電流大小有所差異，但是確定的是其方向是一致的。電氣設(shè)備對(duì)外的干擾多以共模干擾為主，共模干擾本身對(duì)設(shè)備運(yùn)行并沒(méi)有危害性，但是如果共模干擾和差模干擾實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，則干擾影響范圍就擴(kuò)大了，其危害性也加深了。

3 電子自動(dòng)化干擾現(xiàn)象解決的措施

3.1 接地式處理靜電干擾

很多電子電器產(chǎn)品不管從設(shè)計(jì)原理還是設(shè)計(jì)理念上來(lái)說(shuō)都很完美，但是在實(shí)際運(yùn)用中卻出現(xiàn)了很多不合理的問(wèn)題，造成設(shè)備無(wú)法正常工作，影響了設(shè)備穩(wěn)定的性能。其主要因素是因?yàn)樵诠に嚢惭b過(guò)程中操作不當(dāng)所造成的，所以容易對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)造成干擾和影響。為此，操作人員需要加強(qiáng)對(duì)其重視程度，選擇科學(xué)合理的接地方式。按照接地種類(lèi)來(lái)看，可以通過(guò)重復(fù)接地的方式。施工單位在安裝時(shí)，應(yīng)將配電線(xiàn)路的零干線(xiàn)和分支線(xiàn)的終端接地，零干線(xiàn)上每隔1km做一次接地。

3.2 采用良好性能的電源

電源對(duì)于電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)的抗干擾作用十分關(guān)鍵，需要合理選擇電源。比如：從供電方式上來(lái)防止產(chǎn)生電源干擾問(wèn)題。一般系統(tǒng)是由交流電網(wǎng)供電，造成供電電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定因素包含負(fù)荷變化﹑系統(tǒng)設(shè)備開(kāi)斷操作﹑短路和雷擊等。同時(shí)，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，各企業(yè)和人們?nèi)粘?duì)電量的需求量的增加，往往很多電子設(shè)備﹑電氣化鐵軌機(jī)車(chē)等同時(shí)使用，造成電網(wǎng)存在大量的諧波。如果讓這些干擾源進(jìn)入電子控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)不僅無(wú)法進(jìn)行正常工作，而且也會(huì)使系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平降低，對(duì)數(shù)據(jù)控制出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)造成設(shè)備損壞，整個(gè)系統(tǒng)都無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，可以采用220V交流電經(jīng)過(guò)交流變壓器﹑交流電源濾波器等，再運(yùn)送到設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。同時(shí)，為了能夠讓設(shè)備在較大范圍內(nèi)適應(yīng)的變化，減少電源的噪聲干擾，設(shè)備電源需要加大儲(chǔ)備量，保持電源的動(dòng)態(tài)特性，可以選取0.5-1倍的裕量。

3.3 選擇低電阻金屬材料

電磁場(chǎng)的頻率升高，相應(yīng)地，電磁輻射的力度和強(qiáng)度也會(huì)增大，可以借助低電阻技術(shù)材料來(lái)消除電磁輻射影響和干擾。以銅﹑鋁為例，操作人員可以在金屬材料外部加設(shè)屏蔽層，這樣會(huì)形成渦流反應(yīng)，并在其作用下，防止外部電磁波對(duì)設(shè)備運(yùn)行的干擾作用，以此增強(qiáng)屏蔽效果。

3.4 做好日常維護(hù)裝置檢查

裝置進(jìn)行正常生產(chǎn)之后，需要加強(qiáng)對(duì)維護(hù)裝置的日常檢查，其與設(shè)備的穩(wěn)定與運(yùn)行安全有著重要的作用，具體可以從以下層面進(jìn)行著重關(guān)注，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并加以改進(jìn)。一是定期檢查儀表設(shè)備的屏蔽層是否完好，如果出現(xiàn)破損的情況，需要及時(shí)處理；二是將信號(hào)之間的距離隔開(kāi)，控制在最遠(yuǎn)距離點(diǎn)，避免信號(hào)之間的相互作用影響設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；三是檢查接地系統(tǒng)各個(gè)連接頭是否出現(xiàn)松動(dòng)﹑銹蝕等問(wèn)題，并且按照檢查的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，檢查接地干線(xiàn)與接地總干線(xiàn)對(duì)地的絕緣屬性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合分析，目前工業(yè)發(fā)展中對(duì)電子自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，其地位和應(yīng)用價(jià)值也是毋庸置疑的。電子自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展水平與工業(yè)發(fā)展成就有著直接的關(guān)聯(lián)，需要進(jìn)一步推廣和發(fā)展電子自動(dòng)化控制，提升設(shè)備的運(yùn)行效率和質(zhì)量。想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要加快工業(yè)發(fā)展變革，優(yōu)先處理好電子自動(dòng)化控制干擾問(wèn)題，降低電子自動(dòng)化控制的干擾對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的影響，減少發(fā)生設(shè)備故障的概率，滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)需求。