電氣工程中自動化設備的抗干擾措施探究

智 丹

（中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西太原 030000）

1 電氣工程中自動化設備面臨的主要干擾源

1.1 傳導與輻射干擾

傳導干擾是指通過導線或電纜傳輸的電磁干擾，而輻射干擾是指通過空氣傳播的電磁干擾。這些干擾源可能來自附近的電源線、電機、變壓器等設備，也可能來自無線電頻率的干擾源。傳導與輻射干擾會引起設備的電壓波動、電流噪聲等問題[1]。輻射干擾指各種干擾信號通過各種耦合路徑，例如由電源線、變壓器等設備產生的電磁波，或由高速數字信號及開關電源產生的輻射干擾，到達二次設備。傳導干擾指干擾信號通過各種連接導線，如電源線、信號線等，以電容、電感或共模電壓的方式進入二次設備。這些連接可能通過外部干擾信號的傳輸，將信號引入設備中。

1.2 信號模式干擾

信號模式干擾是指由于信號傳輸線路的設計不當或者信號線與其他線路的干擾而引起的干擾。例如，信號線與電源線、地線或其他信號線靠得太近，會導致信號的串擾、互相干擾，從而影響設備的正常工作。

1.3 二次回路干擾

二次回路干擾是指由于設備內部的電磁干擾源，如開關電源、電機、繼電器等，對其他電路產生的干擾。這些干擾源可能會引起設備的電磁輻射、電磁感應等問題，從而干擾其他電路的正常運行。

1.4 通訊信號干擾

自動化設備通常需要進行數據通訊，而通訊信號干擾可能會導致數據傳輸錯誤、通訊中斷等問題。通訊信號干擾可能來自于附近的電磁干擾源，如無線電設備、電源線、電機等。此外，通訊線路的設計不當、接地問題等也可能引起通訊信號的干擾[2]。

2 電氣工程中自動化設備抗干擾措施的重要價值

（1）提高系統可靠性。電氣工程中的自動化設備通常需要在復雜的電磁環境中運行，如電力設備、電磁干擾源等。抗干擾措施可以有效地減少外界干擾對自動化設備的影響，提高系統的可靠性和穩定性。

（2）保障數據準確性。自動化設備通常需要進行數據采集、傳輸和處理，而干擾可能導致數據傳輸錯誤或丟失，進而影響系統的準確性和可靠性。抗干擾措施可以有效地降低干擾對數據傳輸的影響，保障數據的準確性。

（3）提高工作效率。干擾可能導致自動化設備的誤動作、誤報警等問題，影響工作效率和生產效益。通過采取抗干擾措施，可以減少誤動作和誤報警的發生，提高自動化設備的工作效率和穩定性。

（4）延長設備壽命。干擾可能導致自動化設備的電路元件受損或過載，進而影響設備的壽命。抗干擾措施可以有效地降低干擾對設備的損害，延長設備的使用壽命，降低維修和更換成本[3]。

3 電氣工程中自動化設備抗干擾措施優化策略

3.1 硬件設計

3.1.1 優化電路設計

合理的電路布局和組件選擇可以降低電磁干擾對設備的影響，提高設備的穩定性和可靠性。例如，在電路設計中，可以減少電路中的元器件數量，選擇具有較高抗干擾能力的元器件，優化電源電路和信號傳輸線路的設計，加強電路板的布線布局，避免線路的交叉和重疊，從而降低電磁干擾對設備的影響。

3.1.2 接地與屏蔽技術

正確的接地方式可以有效地降低電磁干擾對設備的影響，提高設備的穩定性。在接地設計中，應該選擇合適的接地方式和位置，避免不同電路之間的相互干擾，減少電源電路對地線的干擾。同時，屏蔽技術也可以有效地抑制電磁波的傳播，減少電磁干擾對設備的影響[4]。

3.1.3 電源濾波與穩壓技術

電源波動和噪聲會對設備的穩定性和可靠性產生影響，因此需要對電源進行濾波和穩壓處理。在電源濾波設計中，應該選擇合適的濾波器和穩壓器，減少電源波動和噪聲對設備的影響。同時，在電源線路中加入適當的旁路電容也可以有效地降低電源阻抗，提高設備的抗干擾能力。

3.1.4 信號線布線與阻抗匹配

在信號傳輸過程中，不同的傳輸線和傳輸方式會對設備的抗干擾能力產生影響。因此，需要對信號線進行合理的布線和匹配，減少信號傳輸過程中的反射和衰減，提高信號的穩定性和可靠性。在信號線布線設計中，應該選擇合適的傳輸線和傳輸方式，避免線路的交叉和重疊，減少線路之間的電磁干擾。同時，在信號匹配設計中，應該選擇合適的電阻、電容和電感等元件，確保信號的阻抗匹配，減少信號反射和衰減對設備的影響。

3.1.5 電磁屏蔽材料與器件選擇

選擇合適的電磁屏蔽材料和器件可以有效地抑制電磁波的傳播和干擾，提高設備的穩定性和可靠性。在電磁屏蔽材料選擇中，應該選擇具有較高導電性和導磁性的材料，如銅、鋁、不銹鋼等。同時，在器件選擇中，應該選擇具有較高電磁屏蔽性能的器件，如電磁屏蔽殼、電磁屏蔽膜、電磁屏蔽彈簧等。

3.2 軟件設計

3.2.1 實時操作系統（RTOS）的選擇與優化

RTOS 在自動化設備中起著重要的作用，其可以管理設備的任務調度、中斷處理、內存管理等，對于設備的抗干擾性能也有著重要的影響。

（1）選擇適合的RTOS。不同的RTOS 具有不同的特點和適用場景。在選擇RTOS 時，需要根據自動化設備的實際需求和運行環境進行選擇。例如，對于需要高實時性、低延遲的自動化設備，可以選擇具有高實時性的RTOS，如VxWorks、FreeRTOS 等；對于需要大規模、高并發的自動化設備，可以選擇具有較強并發處理能力的RTOS，如Linux、Windows 等[5]。

（2）優化RTOS 配置。在RTOS 中，可以通過配置相關的參數和選項來優化設備的抗干擾性能。具體如下：①設置更高的中斷優先級來提高中斷響應速度，降低由于中斷延遲導致的干擾影響；②設置更大的任務棧大小來避免由于任務切換導致的堆棧溢出等異常；③開啟RTOS 的實時性檢測功能來檢測并處理具有實時性的任務延時；④優化RTOS 的內存管理機制，以減少內存碎片和內存泄漏，從而提高設備的穩定性和抗干擾能力。

3.2.2 軟件濾波算法

在自動化設備中，各種傳感器、信號采集模塊等會采集到大量的數據，這些數據中往往存在噪聲和干擾信號，需要進行濾波處理。軟件濾波算法可以對采集到的數據進行處理，去除噪聲和干擾信號，提高數據的質量和準確性，從而為設備的穩定運行和正確決策提供可靠的數據支持。

（1）常見的軟件濾波算法。包括均值濾波、中值濾波、滑動平均濾波等。這些算法都是通過對采集到的多個數據進行處理，去除其中的噪聲和干擾信號，得到更為準確的數據。例如，均值濾波可以通過計算多個數據的平均值來消除隨機波動和尖峰干擾；中值濾波可以通過將數據按大小排序并取中間值來消除異常值和脈沖干擾；滑動平均濾波可以通過計算窗口內數據的平均值來消除隨機波動和噪聲。

（2）優化軟件濾波算法。①根據具體的采集數據進行選擇和優化。例如，對于具有較強隨機干擾的信號，可以選擇中值濾波或滑動平均濾波等方法；對于具有較大波動性的信號，可以選擇均值濾波或加權平均濾波等方法。②結合多種濾波算法進行優化，如先進行中值濾波再進行均值濾波等。③根據實際需要自定義濾波算法，以適應特定的數據特點和抗干擾要求。

3.2.3 錯誤檢測與糾正技術

（1）錯誤檢測。常見的錯誤檢測方式有以下2種：①奇偶校驗。奇偶校驗是一種簡單的錯誤檢測方法，其通過在數據中添加校驗位來實現數據的奇偶校驗。根據校驗位的值，數據可以被視為奇數校驗或偶數校驗。在接收數據時，接收方會檢查校驗位的值，以確定傳輸的數據是否有錯誤。如果錯誤的數量是偶數，則校驗位的錯誤可以被檢測出來；如果錯誤的數量是奇數，則校驗位的錯誤可能無法被檢測出來[6]。奇偶校驗的優點是簡單易用，適用于一些簡單的數據傳輸場景。但是，其只能檢測出偶數個錯誤，對于奇數個錯誤可能無法檢測出來。②循環冗余校驗（CRC）。循環冗余校驗是一種更復雜的錯誤檢測方法，它通過在數據后面添加若干位的校驗碼來實現數據的錯誤檢測。該方法可以檢測出一位或多位的錯誤數值，具有較高的檢測準確性。CRC 算法的基本原理是對數據進行一定的數學運算，生成一個稱為CRC 校驗碼的數值，并將該數值附加在數據的末尾。在接收數據時，接收方會使用相同的數學運算對接收到的數據進行處理，并與CRC 校驗碼進行比較。如果比較結果相同，則說明數據沒有錯誤；如果比較結果不同，則說明數據有錯誤。CRC 校驗碼的長度越長，檢測錯誤的能力就越強。但是，較長的CRC 校驗碼會增加數據傳輸的開銷，可能會降低傳輸效率。因此，需要根據實際情況選擇合適的CRC 校驗碼長度。

（2）糾正技術。對于一些具有較高重要性的數據，需要進行錯誤糾正。常見的錯誤糾正技術包括糾錯碼技術和海明碼技術等。糾錯碼技術可以通過增加冗余信息來實現數據的錯誤糾正，如奇偶校驗碼、漢明碼等；海明碼技術則是一種具有檢錯和糾錯能力的編碼方式，可以糾正一位或多位錯誤。這些技術可以在數據傳輸或處理過程中加入額外的校驗位或糾錯碼，從而實現數據的錯誤糾正。

3.2.4 數據加密與安全性保障

（1）數據加密技術。指對傳輸或存儲的數據進行加密處理，從而保障數據的安全性。常見的加密算法包括對稱加密算法（如DES、AES 等）和非對稱加密算法（如RSA 等）。在自動化設備中，可以根據實際需求選擇合適的加密算法進行數據加密。例如，DES 算法可以對數據進行對稱加密，AES 算法則可以加密敏感數據和大塊數據，RSA 算法則可以用于加密密鑰或數字簽名等。

（2）安全性保障。在自動化設備中，需采取一系列的安全性保障措施來進一步保障數據的安全性。例如，可以設置用戶權限管理，限制非法訪問和操作；開啟防火墻和入侵檢測系統，防止網絡攻擊和非法入侵；備份重要數據，避免數據丟失或損壞等。

4 結束語

綜上所述，未來，隨著科技的不斷進步和工業生產的不斷發展，自動化設備的應用將會更加廣泛。同時，各種干擾源也會變得更加復雜和多樣化。因此，研究和開發更加先進的抗干擾技術和措施將成為未來的發展方向。只有通過不斷創新和改進，才能夠更好地應對各種干擾源，保證自動化設備的正常運行，提高工作效率，推動工業生產的發展。