江純清,李平一

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.萬向錢潮股份有限公司，杭州 311215)

軸承各項參數(shù)的檢測與試驗是判定軸承是否合格以及性能指標(biāo)高低的重要手段，是軸承生產(chǎn)制造過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。目前，高精度軸承檢測儀器(輪廓粗糙度儀、圓度儀、圓柱度儀等)的位移測量分辨率已達(dá)0.01 μm，軸承試驗設(shè)備(壽命、模擬、性能試驗等)則要求其連續(xù)可靠工作時間達(dá)上萬小時。

由于軸承各類測試設(shè)備通常在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下運行，不可避免地會受到內(nèi)部和外部環(huán)境的干擾,除自身測控系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動器、變頻器外，周邊的大功率生產(chǎn)設(shè)備、天車、高頻爐、電焊機等亦產(chǎn)生較大的電磁干擾。這些干擾往往使有用信號疊加各種噪聲，影響測量結(jié)果的真實性及可靠性。因此，提高設(shè)備電氣測控系統(tǒng)的抗干擾能力、保證測試精度，使其能夠長期穩(wěn)定地可靠工作,是測試設(shè)備的關(guān)鍵。

1 測試設(shè)備電氣結(jié)構(gòu)特點

以軸承壽命試驗機為例說明電氣測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點。如圖1 所示，電氣系統(tǒng)硬件由振動傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器，信號調(diào)理電路、多功能數(shù)據(jù)采集卡、通信卡、變頻器、電子放大器、工業(yè)控制計算機及低壓控制電路組成。工業(yè)控制計算機是測控系統(tǒng)的核心，測控軟件基于LabWindows/CVI編程語言進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、顯示、控制和打印，同時具有啟停、互鎖、過載報警、急停等一系列保護(hù)功能。

該類設(shè)備電氣系統(tǒng)的特點為：1)置于現(xiàn)場的多路振動、壓力、溫度傳感器的信號需送至位于控制室的計算機(內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡)中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，相對距離較遠(yuǎn)(15～30m)；2)計算機經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后向電子放大器發(fā)出模擬量控制信號，通過液壓比例閥控制軸向和徑向載荷，壓力傳感器與液壓加載形成閉環(huán)控制，要求載荷準(zhǔn)確、穩(wěn)定；3)計算機與變頻器相距較近，共用總電源，易受干擾。

2 干擾源分析

在不同的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境下，測試設(shè)備電控系統(tǒng)所受的干擾源也不盡相同。

2.1 空間輻射感應(yīng)的干擾

測控系統(tǒng)周邊存在各類電場與磁場，通過與測控系統(tǒng)相連的信號線、控制線、電源線等產(chǎn)生感應(yīng)，侵入測控系統(tǒng)。

2.2 電網(wǎng)供電引起的干擾

測控系統(tǒng)的電源由電網(wǎng)提供，大型設(shè)備啟停沖擊、開關(guān)浪涌電流、交直流傳動驅(qū)動設(shè)備引起的雜波、變頻電動機等干擾均會通過供電網(wǎng)絡(luò)傳至測控設(shè)備。實踐證明，因電源干擾造成測控系統(tǒng)不穩(wěn)定的成分較大。

2.3 因信號線引起的干擾

此類干擾主要通過下列途徑侵入：1)因信號線受空間電場或磁場輻射感應(yīng)產(chǎn)生的共模干擾；2)信號線之間的電容耦合干擾。

2.4 接地產(chǎn)生的干擾

接地通常包括保護(hù)接地、工作接地和屏蔽地。任何接地都有接地阻抗，電流在接地阻抗上產(chǎn)生電壓降，會造成地線上不同的接地點電位不同，形成地環(huán)電流，最后導(dǎo)致共阻抗干擾。此外，接地電壓亦會在前、后級電路之間的并行傳輸線上產(chǎn)生共模電流，此時若傳輸線對地阻抗不同，共模電流大小不一，則會在后級電路輸入兩端產(chǎn)生差模電壓，即所謂的共模干擾[1]。

2.5 變頻器干擾

由變頻器的工作原理可知，其輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，它們均由起開關(guān)作用的非線性電子器件組成，在電路通、斷過程中，會產(chǎn)生大量的高次諧波，使電網(wǎng)的電壓波形產(chǎn)生畸變，同時產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備的供電質(zhì)量。

3 解決干擾的方法

為保證測控系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場中免受或減少內(nèi)部和外部的電磁干擾，可從抑制干擾源，切斷或衰減干擾傳播途徑，提高自身抗干擾能力這3個方面考慮。具體可以從系統(tǒng)的硬件、軟件2方面采取措施。

3.1 測控系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計

測控系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計主要從系統(tǒng)的交流電源、空間磁場干擾、系統(tǒng)接地、屏蔽層接地、信號電氣隔離、布線方式入手。

3.1.1 降低交流電源的干擾

1)將測控系統(tǒng)的總電源直接接入低壓配電柜的主母線排上，盡可能縮短線纜長度。

2)可采用具有諧波凈化功能的在線式不間斷電源穩(wěn)壓裝置，穩(wěn)壓裝置內(nèi)部采用了隔離變壓、整流濾波、阻容吸收等措施。利用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，用逆變器將整流濾波后的直流電或蓄電池電轉(zhuǎn)換為較為純凈、高質(zhì)量的正弦波交流電源，可有效地抑制電網(wǎng)引入的干擾。

3)優(yōu)化供電電源。電源干擾主要通過供電線路的電抗耦合產(chǎn)生，在干擾較強的情況下，可在系統(tǒng)電源前端加入低通濾波器和帶屏蔽層的隔離變壓器[2]，如圖2所示。

圖2 供電電源優(yōu)化示意圖

4)分別供電。測控系統(tǒng)內(nèi)部的控制器、驅(qū)動器、電子放大器、電磁閥的電源均采用開關(guān)電源，各類傳感器信號調(diào)理電路采用獨立的線性電源，實現(xiàn)弱信號與其他設(shè)備的供電分離，有助于抗電網(wǎng)干擾。

3.1.2 線間干擾的抑制

電流較大、電壓較高的供電線纜產(chǎn)生的輻射會對測量和控制信號產(chǎn)生耦合電磁干擾，為降低此類干擾，可以采用屏蔽電纜和隔離措施，減少互感耦合。實際布線中應(yīng)注意以下幾個方面：

1)不同信號類型、不同電壓等級的電纜應(yīng)盡可能在不同的線槽、金屬橋架中分別鋪設(shè)，且要避免近距離平行鋪設(shè)；

2)模擬信號與數(shù)字傳輸信號分開布線，且杜絕信號線與電源線共用；

3)傳感器使用完整的電纜線，避免接頭；

4)可將測量、控制、通信等信號電纜用鍍鋅金屬軟管加以屏蔽;

5)傳感器信號線較長時，可采用不易受耦合干擾的4～20 mA電流信號作為傳輸方式，在A/D轉(zhuǎn)換前再用250 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號；

6)遠(yuǎn)距離配線有干擾或鋪設(shè)電纜有困難時，可采用總線傳輸模式的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)模塊。

3.1.3 采用屏蔽線、屏蔽雙絞線傳輸信號

采用屏蔽線傳輸模擬信號可有效抑制導(dǎo)線間的電場、磁場耦合干擾，常用于30 kHz以下信號傳輸。屏蔽層的接地方式如圖3所示,不同的接地方式?jīng)Q定了其抗干擾能力。圖3a中，由于電流i1=i2，產(chǎn)生的磁場干擾相互抑制；圖3b中,屏蔽層雙端接地，由于地環(huán)電流iG的迭加，抑制磁場耦合干擾的能力比圖3a差；圖3c中,屏蔽層懸空未接地，僅能屏蔽電場耦合干擾，不能抑制磁場耦合干擾[3]。因此，屏蔽層常采用單端接地方式。

圖3 屏蔽層的接線方式

屏蔽雙絞線常用作平衡式傳輸線路，常用于100 kHz以下信號的傳輸。屏蔽雙絞線是將2根導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起，每根導(dǎo)線在傳輸中輻射出的電磁波會被作為信號返回的另一根線上的電磁波抵消，在屏蔽層單點接地的情況下,抑制磁場和電場耦合干擾的效果明顯。另外,其平衡式傳輸還具有很強的抗共模干擾能力, 在計算機通信網(wǎng)絡(luò)中常作為傳輸線使用, 如RS-485 (422)通信的連接就采用了屏蔽雙絞線。

3.1.4 測控系統(tǒng)的接地設(shè)計

測控系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部有多種接地線，一般分3類[4]：1)以安全為目的的保護(hù)地線，常與金屬機箱或機柜相連；2)為設(shè)備中各個電路提供基準(zhǔn)零電位的工作接地；3)為抑制噪聲，屏蔽線、變壓器的屏蔽層需接地，其地線為屏蔽地線。接地設(shè)計時應(yīng)掌握以下原則：

1)并聯(lián)一點接地。在工業(yè)控制系統(tǒng)中,測控系統(tǒng)信號傳輸頻率一般低于1 MHz，屬低頻電路，宜采用并聯(lián)一點接地方式(圖4)。采用此接地方式時，各電路地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不受其他電路影響，從而避免了公共地線阻抗耦合干擾問題。

圖4 信號地線接地方式

2)當(dāng)信號源接地時，屏蔽電纜的屏蔽層應(yīng)在信號源端接地；信號源不接地時，其屏蔽層應(yīng)在信號接收端(控制器端)接地。

3)對于模擬電路、數(shù)字電路、功率電路等各種電路，應(yīng)設(shè)置各自獨立的地線，最后匯總到一個公共的接地點。

4)多路測量信號的屏蔽線與多芯屏蔽線纜連接時，屏蔽層之間應(yīng)連接好，使用屏蔽電纜接頭并可靠接地。

3.1.5 隔離

1)光電隔離。在控制系統(tǒng)與外部I/O電路之間，采用光電耦合器隔離技術(shù)，將數(shù)字輸入、輸出信號與控制系統(tǒng)電氣隔離，防止外部干擾信號及接地環(huán)路中產(chǎn)生的噪聲信號進(jìn)入控制系統(tǒng)。

2)繼電器隔離。利用繼電器的線圈與觸點電氣隔離的特點，隔離強電與弱電，實現(xiàn)數(shù)字輸出信號與執(zhí)行元件之間的干擾隔離。

3)隔離變壓器隔離。使用帶有屏蔽層的1∶1 隔離變壓器是供電線路中常用的抗干擾方法，它對減弱供電線路的沖擊脈沖干擾有很好的效果，如圖5所示。隔離變壓器的初次繞組對高頻干擾呈現(xiàn)很高的阻抗，而位于初級、次級繞組之間的金屬屏蔽層起到了電場屏蔽作用，減少了初級、次級繞組之間的分布電容。此外，超級隔離變壓器是一種性能更為完善的變壓器，其采用了法拉弟屏蔽、盒式屏蔽技術(shù)，除一般的隔離功能外，還同時兼有抗共模和差模干擾的能力。

圖5 交流電源抗干擾方案

3.1.6 邏輯明確

當(dāng)采用CMOS邏輯控制電路時，輸入端應(yīng)根據(jù)邏輯選擇上拉電阻或下拉電阻，明確信號電平，避免干擾信號引起邏輯混亂。

3.1.7 硬件濾波

1)輸入端模擬信號。在接入控制系統(tǒng)前可加入阻容濾波電路，如RC濾波、有源二次濾波電路等。

2)輸出端干擾信號的抑制。對于交流感性負(fù)載場合，在負(fù)載的兩端并聯(lián)RC浪涌吸收器，RC愈靠近負(fù)載，抗干擾效果愈好；對于直流感性負(fù)載場合，在負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，二極管也應(yīng)靠近負(fù)載，二極管的反向耐壓應(yīng)是負(fù)載電壓的4倍。具體措施如圖6所示。

圖6 防止感性負(fù)載干擾的措施

3.1.8 變頻器干擾的抑制

對于變頻器(圖7)的干擾可采取如下措施：

圖7 變頻器配線圖

1)增加交流電抗器。輸入端電抗器可以改善功率因數(shù)并降低電源諧波。當(dāng)電動機配線超過20 m時，輸出端電抗器有助于減小電動機在線路中引起的諧波干擾，防止影響其他設(shè)備正常工作。注意：電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方。

2)零相電抗器。其目的是減弱輻射干擾，亦可降低輸入和輸出側(cè)干擾。

3)EMI濾波器。正確安裝EMI濾波器可抑制變頻器產(chǎn)生的高、低頻干擾，避免變頻器經(jīng)由傳導(dǎo)或輻射的方式干擾周邊設(shè)備。

3.2 測控系統(tǒng)的軟件抗干擾設(shè)計

測控系統(tǒng)中，軟件設(shè)計同樣是實現(xiàn)抗干擾的重要手段。測控系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場采集的信號可以采用數(shù)字濾波、防抖動延時等程序設(shè)計方法，提高輸入信號的可靠性。

3.2.1 軟件數(shù)字濾波

現(xiàn)場非電量信號通過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，可通過軟件數(shù)字濾波對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，濾除隨機產(chǎn)生的干擾信號，得到有用的真實信號。軟件數(shù)字濾波的方法很多，一般采用滑動、去極值平均、算術(shù)平均、加權(quán)平均、中值等濾波方法。

3.2.2 記憶延遲

用軟件實現(xiàn)開關(guān)量輸入信號濾波的原理為：當(dāng)某一信號出現(xiàn)時將其記憶，經(jīng)過相應(yīng)的時間延遲后，再次對該信號進(jìn)行核查，如果信號仍然存在，就認(rèn)為該信號為真，否則認(rèn)為是假信號，將其舍棄，從而實現(xiàn)開關(guān)量輸入信號的確認(rèn)。

3.2.3 軟件容錯技術(shù)

在工業(yè)現(xiàn)場較為復(fù)雜的情況下，各種抗干擾設(shè)計方案并不可能完全消除或杜絕干擾信號的出現(xiàn)，干擾信號總是以某種形式存在于實際信號中，并有可能在一定條件下對測控系統(tǒng)造成較大的干擾。在軟件設(shè)計中，應(yīng)采用軟件容錯技術(shù)和周期性自診斷技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)非正常情況，軟件監(jiān)控應(yīng)能快速反應(yīng)，迅速根據(jù)出錯情況作出判斷，及時轉(zhuǎn)換至容錯程序，完成系統(tǒng)補救措施[5]。

軟件容錯技術(shù)主要包括重復(fù)執(zhí)行技術(shù)、死循環(huán)判斷處理技術(shù)、延時判斷處理技術(shù)等。

4 實際應(yīng)用

2015年為某軸承生產(chǎn)單位設(shè)計制造了6臺軸承壽命試驗機的電控系統(tǒng)(圖1)，這些設(shè)備集中放置在生產(chǎn)車間，設(shè)備主機與監(jiān)控計算機相對較遠(yuǎn)(20 m)，變頻器功率較大(30 kW)且周邊生產(chǎn)設(shè)備多。

該系統(tǒng)的供電情況如圖8所示，工業(yè)計算機的供電與大功率電主軸、電動機的負(fù)載經(jīng)變壓器隔離，220 V交流電源經(jīng)過交流穩(wěn)壓、電源濾波器穩(wěn)壓濾波后給工業(yè)計算機供電。由于溫度、壓力、振動等傳感器信號為模擬量信號，給其供電的線性電源前端增加了電源濾波器。為防止變頻器干擾，在其輸入、輸出端配置了交流電抗器和EMI濾波器。

圖8 供電示意圖

系統(tǒng)的接地情況如圖9所示。線性電源、開關(guān)電源、濾波器、電子放大器及變頻器的保護(hù)地端子，與其安裝機柜的保護(hù)地銅排相連。金屬接口機箱、工業(yè)計算機的機殼亦用4 mm2的黃綠地線與保護(hù)地相連。溫度、壓力、振動傳感器信號采用4～20 mA電流長線傳輸，工業(yè)計算機與變頻器485通信采用屏蔽雙絞線傳輸，其屏蔽層與接口機箱機殼相連，最終與保護(hù)地相連。線性電源和開關(guān)電源提供+24 V的直流電源，分別供給傳感器信號調(diào)理電路和電子放大器等，屬于工作地，在一點相連且懸浮。

圖9 接地示意圖

由于采取了上述多項抗干擾措施，并結(jié)合獨立布線與隔離、硬件RC濾波與軟件數(shù)字濾波等措施，這6臺設(shè)備運行1年多來工作狀態(tài)正常、運行穩(wěn)定可靠，抗干擾效果明顯。

解決測控系統(tǒng)的干擾是一個綜合、復(fù)雜的技術(shù)問題，在設(shè)計初期就應(yīng)全面、綜合地加以考慮和規(guī)劃，根據(jù)特定的現(xiàn)場情況，結(jié)合系統(tǒng)自身的特點、技術(shù)要求做出準(zhǔn)確合理的判斷，同時要考慮到硬件和軟件技術(shù)的可實施性和成本，有針對性的采取各項措施，做到更好地抑制干擾、達(dá)到設(shè)計目標(biāo)與控制成本的完美結(jié)合。