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1、第 23卷第 1期西?南?农?业?大?学?学?报Vol.23,No.12001 年 2月Journal of Southwest Agricultural UniversityFeb.2001文章编号:1000-2642(2000)06-0093-04计算机系统应用中的可靠性问题y吴常红(西南农业大学,重庆?400716)摘要:分析了电磁干扰及其对计算机系统干扰的机理、接地处理的重要性。提出了系统应用中必须综合考虑系统的可靠性,防止通过变压器和仪器的共同供电配电系统引入的干扰,提出为了保证系统可靠应用,采取的几种有效的抗干扰措施。关?键?词:DCS;电磁干扰;电磁兼容;AC接地;DC 接地;屏
2、蔽接地中图分类号:TP 39;TN 973.3?文献标识码:AON RELIABILITY IN APPLICATION OF COMPUTER SYSTEMSWU Chang-hong(Southwest Agricultural University,Chongqing 400716,China)Abstract:This paper analyzes the underlying principles of electromagnetic interference and its interference with computer systems and the impor?tance
3、 of ground processing.It argues that the reliability of the systems in application should be considered in an all-round way and interferencecaused by common power supply and the distribution system of the transformer and the instrument.Some anti-interference measures are recom?mended for the safe ap
4、plication of computer systems.Key words:DCS;electromagnetic interference;electromagnetic compatibility;AC ground;DC ground;shielding ground?计算机系统在近 10 年来取得了惊人的发展,在各个领域中得到广泛应用。它集成了系统的检测、辨识、显示、控制、历史趋势、报警于一体,并进行联网管理,组成有级别的专家系统。但是计算机系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。一些在国外有运行实绩且技术性能先进的集散控
5、制系统(DCS),若不综合考虑和处理好现场电磁环境和兼容问题、系统的接地源和连接质量问题,也不能保证安全可靠运行。我国工业现场电磁环境较为恶劣和复杂,要提高计算机系统的可靠性,一方面要求生产制造单位按可靠性设计的要求,提高系统抗干扰能力;另一方面,要求工程设计、安装施工和使用维护单位引起高度重视,如安装环境、接地点、振动源和周围磁场的考虑,各方配合才能比较完善地解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能1,2。1?电磁干扰源及其对计算机系统的干扰机制1.1?空间辐射干扰源空间的辐射干扰(EMI)的产生,主要是由于供电网络和电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达和通信等产生的,通常称之为辐射
6、干扰,其分布极为复杂。它们对计算机系统影响途径有两条,其一是直接对计算机内部的辐射,由电路感应产生干扰;其二是计算机系统外围设备及其通信网络的辐射,由外围设备和通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小,特别是频率有关,一般通过电源和计算机局部屏蔽以及高y收稿日期:2000-06-13作者简介:吴常红(1962-),男,四川武胜人,西南农业大学讲师,从事计算机应用及控制研究。压泄放元件(限幅器等)进行保护(如图 1)。1.2?系统外引线干扰源主要是通过电源和信号波引入,通常称为传输干扰,在我国工业应用领域较为严重。通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源即配电器串
7、入的电网干扰,这往往被忽视;信号线受空间电磁辐射感应的干扰也很严重,由信号引入的干扰会引起 I/O 接口工作异常和测量精度严重降低。对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总回流,造成逻辑数据变化、?冲程?和死机(如图 2)。1.3?接地系统混乱时的干扰工业计算机系统的地线包括模拟地、逻辑地、交流地、直流地和保护地等(见图 3),必须处理好,否则计算机系统将无法正常工作。接地系统混乱对计算机系统的干扰主要是大地电位分布不均,不同接地点间存在地电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。根据从事工业控制的经验,为避免接地回路形成的噪音和仪器控制系统不同接地间引起的电位电平,确保整
8、个系统的接地合理,交流和直流地线的安装应遵循下列原则:?在现场实际应用中,接地系统应符合计算机系统或 DCS 制造商的标准要求;?在装置接地网上用一专用的接地点,采用单点连接线,连接线应该是选粗铜线,以降低接地电阻;?特别是 DCS系统接地电阻小于 10?,直流接地电阻小于1?。若逻辑地、模拟地与其他接地处理混乱,所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布,影响计算机逻辑电路和模拟电路的正常工作。计算机工作的逻辑电压干扰容限仅 0.3V 0.4V 伏左右,逻辑地电位的分布干扰极易影响计算机的逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下一步下降,引起对信号
9、测控的严重失真和误动作。为防止计算机系统出现这种严重故障,目前一些计算机系统开始采用浮地方式,即把模拟地、逻辑地屏蔽浮置起来与外界隔离,不接大地,这是计算机抗干扰设计的一大进步。为抗静电,早期的计算机系统在设计时大多没采用浮地方式,一般要求有良好的接地装置或尽量远离其他装置单独接地,且接地电阻要小,以减少受其他接地系统的干扰。1.4?计算机系统内部的干扰主要是系统内部元器件及电路间的相互电磁耦合、电磁辐射产生,如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响,模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。计算机制造厂对系统内部进行电磁兼容(EMC)设计的内容,比较复杂,作为应用部门无法改变,可不
10、必过多考虑,但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。2?计算机系统应用中的可靠性设计计算机系统的抗干扰是一个系统工程,要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品,且有赖于使用部门在工程设计、安装设计和运行维护中予以全面考虑,并结合具体情况进行综合设计,才能保证系统的电磁兼容和运行可靠性。2.1?干扰及其干扰的影响干扰对模拟电路的影响是连续的,且随着干扰的增加而加大,如干扰源消失,系统亦即恢复原来的状态。数字电路所用的逻辑元件都有各自的阈电平和与之相对应的噪声容限,只要外来干扰不超过逻辑元件的噪声容限,便不会影响电路。但是,如果输入系统的干扰超过噪音容限,干扰可能会触发触发器和存储器所保存
11、的信息,系统程序便有失控的危险。由于数字系统具有存储功能、判断功能以及高速运算功能,因此可以在系统中注意可靠性设计,增强抗干扰能力。当外界干扰串入系统时,会在系统的输入部分、输出部分、程序运行部分干扰系统的工作。尤其是生产运行时,干扰会带来意想不到的损失,如程序?跑飞?、程序错误走向、不响应中断服务、芯片内信息发生变化等。2.2?容错技术的应用由于干扰不可能完全清除,只能在应用中考虑消94西?南?农?业?大?学?学?报?2001年 2 月除、抑制或减少错误的影响,软件运行时所遇到的用户操作错误、硬件故障、其他软件引起的错误,必须利用容错技术加以解决。软件容错技术可考虑时间冗余技术、信息冗余技术
12、。如那些特别重要的应用场合,采用主计算机系统全冗余,在软、硬件上都采用三选二方式去触发一个工作条件。2.3 在进行具体工程的抗干扰设计时应注意以下两方面2.3.1?设备选型?首先应选择具有较高抗干扰能力(包括内部电磁兼容性,特别是抗干扰能力)的产品,如采用浮地技术、隔离性能好的计算机系统。设备选型时,应了解生产厂给出的抗干扰指标,或共模拟制比、差模拟制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作;其次是考查其在类似工作中的应用实绩,特别不能迷信国外进口产品。我国采用 220V 高内阻电网制式,尤其是带隔离的干净电源,而欧美地区是 110V 低内阻电网。由于我国电网内阻大,零点
13、电位漂移大,地电位变化大,工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区严重 4 倍以上,对系统抗干扰性能要求更高,在国外能正常工作的计算机产品在国内工作现场不一定能可靠运行,这也是实践所证明的。2.3.2?主要考虑来自系统外部的几种干扰抑制措施主要设计内容包括:对计算机系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰;对外引线进行隔离、滤波特别远离动力电缆,分层布置,以防通过外引结引入传导电磁干扰;正确设计接地点和接地装置,完善接地系统。外引线的传导电磁干扰可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差,主要是由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成,共模电压有时
14、较大,特别是采用隔离性能差的配电器供电时,变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达 130V 以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压,直接影响测量信号;对于性能差或耐压低的元器件还将构成威胁,造成模件损坏(这是一些系统 I/O 模件损坏率较高的主要原因)。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压,主要由空间电磁场在信号线间耦合感应及不平衡电路转换共模干扰所形成的电压,这种干扰直接加在信号上,直接影响测量与控制精度。3?主要抗干扰措施3.1?采用性能优良的隔离电源抑制电网引入的干扰电网干扰串入计算机系统主要通过计算机系统的供电电源(如主机电源、I/O 电源等)、变送器供电电源和与计算机系
15、统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。目前对于计算机系统(如主机、I/O 等)供电的电源一般隔离性能较好;对于变送器供电的电源即配电器与计算机系统有直接电气连接(如共用信号等)的仪表的供电电源,往往由于工程设计或使用单位选配,必须引起足够的重视。目前对仪表和变送器供电的配电器,虽然采取了一定的隔离措施,但普遍还不够,主要是使用的隔离变压器分布参数大,抑制干扰能力差。经电源耦合而串入的干扰主要是共模干扰,所以目前变送器各共用仪表连接线上的共模电压普遍较大,有的竟高达 130V 以上,这对系统的测量精度有很大影响,甚至会损伤模件。因此,对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带宽
16、大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器,以减少计算机系统的共模干扰3。另外,可采用在线式不间断供电电源(UPS)对计算机、变送器和共用仪表系统供电,保证电网馈电中断时不间断连续供电,提高供电安全可靠性,并具有较强的干扰隔离性能,是一种工业计算机测控系统的理想电源。3.2?正确选择接地点完善接地系统全面考虑及综合设计完善的接地系统是工业计算机系统抗电磁干扰的重要措施之一。3.2.1?全系统采用统一的接地网?由于工业现场环境的限制,与办公用独立的单机系统不同,工业计算机系统与大量的过程信号相连接,而过程信号又往往在现场接地(如热电偶热端接地等),不可能设置完全隔离的独立接地系统。因此,工业计
17、算机系统的接地网宜与现场电气接地网共用,否则对突变电磁场(如雷雨、浪涌等)的冲击将给计算机带来更大的干扰。所有需要接地的点应通过接地线与接地网牢固连接,且连接点应尽量靠近。3.2.2?信号屏蔽层的接地必须保证单点接地?信号源接地时,屏蔽层应在信号侧接地;不接地时,应在计算机侧接地;信号线中间有接头时,屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理,一定要避免多点接地;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时,各屏蔽层应相互连接并经绝缘处理。对于计算机系统的输出信号,不论是模拟量还是屏蔽输出信号,其屏蔽95第 23 卷第 1 期?吴常红?计算机系统应用中的可靠性问题接地均应接在机柜接地母板上,再由母板接
18、地。对于带有中间接地箱柜(盒)的过渡接线方式,要求接地柜(盒)内屏蔽层用导线短接在一起,选择适当的接地处单点接地。3.2.3?合理选择和敷设信号电缆?不同类型的信号分别由不同电缆传输,信号电缆应按传输信号的种类分层敷设,严禁用同一电缆的不同导线同时传送电源和信号,并避免信号线与动力电缆靠近平行敷设,以减少电磁干扰。3.2.4?硬件滤波?信号在接入计算机前,在信号线与地间并接电容(见图 3),可减少共模干扰;信号两极间加装?型滤波器以减小差模干扰(见图 4)。3.2.5?软件抗干扰措施?由于电磁干扰的复杂性,仅依靠硬件要从根本上消除干扰影响是不可能的,因此在工业计算机系统的软件设计和组态时,还必
19、须在软件方面进行抗干扰处理,进一步提高系统的安全可靠性。软件抗干扰的措施很多,并在不断发展和完善,常用的方法一般有:数字滤波和工频整形采样,可有效消除周期性干扰,特别是工频及其倍频干扰;定时校正参考点电位,并采用动态零点,可有效防止电路漂移;软件冗余,设置当前输出状态寄存单元和循环自检特定部位或内存单元状态标志,可有效地控制软件运行状态的失常和?冲程?;设置软件陷井,在非程序区采用拦截措施(重起动或自复位命令),可有效防止程序?跑飞?等等。工业计算机系统工程化应用的电磁兼容性设计是一个系统工程,必须全面综合考虑并在各个环节上予以高度重视。我国工业现场电磁环境十分恶劣和复杂,干扰非常严重。不能迷
20、信国外产品或照搬其标准,应因地制宜,从设备选型、工程设计到安装调试都要考虑现场干扰情况,特别要注意对配电器引入干扰的隔离,采用各种软硬结合的措施协调配合,才能有效地提高系统的整体抗干扰水平,增强系统的安全可靠性。参考文献:1?吴常红.series9000回路和逻辑控制器在我国工业中的应用展望A,全国网络,微机学术会议论文集C.1991,11.30.2?吴常红.浅谈产品质量的现场管理和控制A.中国仪器仪表学会首届青年学术会议论文集A.1992,02.24.3?吴常红.可编程序控制器发展趋势初探A.中国仪器仪表学会第二届青年科技大会和中国科协第二届青年学术年会卫星会议论文集C,1994,05.16
21、.(上接第 88页)碰撞材料和下落高度是影响稻种恢复系数的主要因素。碰撞材料决定了稻种在碰撞过程中的变形和恢复,下落高度决定了稻种在碰撞过程中的能量损失。参考文献:1?张波屏.现代种植机械工程M.北京:机械工业出版社,1997.2?吴庆波.物料回弹特性实验 J.农机试验与推广,1989,(6):6-8.3?Y.Yang.Analysis of Grain Kernel Rebound Motion J.Trans?actions of the ASAE,1994,37(1):27-31.4?G.J.Locuto.Soybean impacts:Experiments and Dynamic Simu?lations J.Transactions of the ASAE,1997,40(3):789-794.96西?南?农?业?大?学?学?报?2001年 2 月