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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)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(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)與試驗(yàn)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(cè)儀器(輪廓粗糙度儀、圓度儀、圓柱度儀等)的位移測(cè)量分辨率已達(dá)0.01 μm，軸承試驗(yàn)設(shè)備(壽命、模擬、性能試驗(yàn)等)則要求其連續(xù)可靠工作時(shí)間達(dá)上萬小時(shí)。

由于軸承各類測(cè)試設(shè)備通常在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行，不可避免地會(huì)受到內(nèi)部和外部環(huán)境的干擾,除自身測(cè)控系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)等亦產(chǎn)生較大的電磁干擾。這些干擾往往使有用信號(hào)疊加各種噪聲，影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性及可靠性。因此，提高設(shè)備電氣測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力、保證測(cè)試精度，使其能夠長期穩(wěn)定地可靠工作,是測(cè)試設(shè)備的關(guān)鍵。

1 測(cè)試設(shè)備電氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以軸承壽命試驗(yàn)機(jī)為例說明電氣測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。如圖1 所示，電氣系統(tǒng)硬件由振動(dòng)傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器，信號(hào)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(jì)算機(jī)及低壓控制電路組成。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是測(cè)控系統(tǒng)的核心，測(cè)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(chǔ)、顯示、控制和打印，同時(shí)具有啟停、互鎖、過載報(bào)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(diǎn)為：1)置于現(xiàn)場(chǎng)的多路振動(dòng)、壓力、溫度傳感器的信號(hào)需送至位于控制室的計(jì)算機(jī)(內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡)中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，相對(duì)距離較遠(yuǎn)(15～30m)；2)計(jì)算機(jī)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(hào)，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(jì)算機(jī)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(chǎng)環(huán)境下，測(cè)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(cè)控系統(tǒng)周邊存在各類電場(chǎng)與磁場(chǎng)，通過與測(cè)控系統(tǒng)相連的信號(hào)線、控制線、電源線等產(chǎn)生感應(yīng)，侵入測(cè)控系統(tǒng)。

2.2 電網(wǎng)供電引起的干擾

測(cè)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(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備引起的雜波、變頻電動(dòng)機(jī)等干擾均會(huì)通過供電網(wǎng)絡(luò)傳至測(cè)控設(shè)備。實(shí)踐證明，因電源干擾造成測(cè)控系統(tǒng)不穩(wěn)定的成分較大。

2.3 因信號(hào)線引起的干擾

此類干擾主要通過下列途徑侵入：1)因信號(hào)線受空間電場(chǎng)或磁場(chǎng)輻射感應(yīng)產(chǎn)生的共模干擾；2)信號(hào)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(huì)造成地線上不同的接地點(diǎn)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(huì)在前、后級(jí)電路之間的并行傳輸線上產(chǎn)生共模電流，此時(shí)若傳輸線對(duì)地阻抗不同，共模電流大小不一，則會(huì)在后級(jí)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(huì)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(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)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(cè)控系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(cè)控系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)主要從系統(tǒng)的交流電源、空間磁場(chǎng)干擾、系統(tǒng)接地、屏蔽層接地、信號(hào)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(cè)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(qiáng)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(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部的控制器、驅(qū)動(dòng)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(hào)調(diào)理電路采用獨(dú)立的線性電源，實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)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(huì)對(duì)測(cè)量和控制信號(hào)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(shí)際布線中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1)不同信號(hào)類型、不同電壓等級(jí)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(hào)與數(shù)字傳輸信號(hào)分開布線，且杜絕信號(hào)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(cè)量、控制、通信等信號(hào)電纜用鍍鋅金屬軟管加以屏蔽;

5)傳感器信號(hào)線較長時(shí)，可采用不易受耦合干擾的4～20 mA電流信號(hào)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(hào)；

6)遠(yuǎn)距離配線有干擾或鋪設(shè)電纜有困難時(shí)，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(hào)

采用屏蔽線傳輸模擬信號(hào)可有效抑制導(dǎo)線間的電場(chǎng)、磁場(chǎng)耦合干擾，常用于30 kHz以下信號(hào)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)耦合干擾，不能抑制磁場(chǎng)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(hào)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(huì)被作為信號(hào)返回的另一根線上的電磁波抵消，在屏蔽層單點(diǎn)接地的情況下,抑制磁場(chǎng)和電場(chǎng)耦合干擾的效果明顯。另外,其平衡式傳輸還具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力, 在計(jì)算機(jī)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(cè)控系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)

測(cè)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(jī)箱或機(jī)柜相連；2)為設(shè)備中各個(gè)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(jì)時(shí)應(yīng)掌握以下原則：

1)并聯(lián)一點(diǎn)接地。在工業(yè)控制系統(tǒng)中,測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)傳輸頻率一般低于1 MHz，屬低頻電路，宜采用并聯(lián)一點(diǎn)接地方式(圖4)。采用此接地方式時(shí)，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(hào)地線接地方式

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

3)對(duì)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(dú)立的地線，最后匯總到一個(gè)公共的接地點(diǎn)。

4)多路測(cè)量信號(hào)的屏蔽線與多芯屏蔽線纜連接時(shí)，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(hào)與控制系統(tǒng)電氣隔離，防止外部干擾信號(hào)及接地環(huán)路中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)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(diǎn)電氣隔離的特點(diǎn)，隔離強(qiáng)電與弱電，實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出信號(hào)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(duì)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(duì)高頻干擾呈現(xiàn)很高的阻抗，而位于初級(jí)、次級(jí)繞組之間的金屬屏蔽層起到了電場(chǎng)屏蔽作用，減少了初級(jí)、次級(jí)繞組之間的分布電容。此外，超級(jí)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(shí)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(shí)，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(hào)電平，避免干擾信號(hào)引起邏輯混亂。

3.1.7 硬件濾波

1)輸入端模擬信號(hào)。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(hào)的抑制。對(duì)于交流感性負(fù)載場(chǎng)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(duì)于直流感性負(fù)載場(chǎng)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(duì)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(dòng)機(jī)配線超過20 m時(shí)，輸出端電抗器有助于減小電動(dòng)機(jī)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(cè)控系統(tǒng)的軟件抗干擾設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)同樣是實(shí)現(xiàn)抗干擾的重要手段。測(cè)控系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)可以采用數(shù)字濾波、防抖動(dòng)延時(shí)等程序設(shè)計(jì)方法，提高輸入信號(hào)的可靠性。

3.2.1 軟件數(shù)字濾波

現(xiàn)場(chǎng)非電量信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，可通過軟件數(shù)字濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，濾除隨機(jī)產(chǎn)生的干擾信號(hào)，得到有用的真實(shí)信號(hào)。軟件數(shù)字濾波的方法很多，一般采用滑動(dòng)、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(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入信號(hào)濾波的原理為：當(dāng)某一信號(hào)出現(xiàn)時(shí)將其記憶，經(jīng)過相應(yīng)的時(shí)間延遲后，再次對(duì)該信號(hào)進(jìn)行核查，如果信號(hào)仍然存在，就認(rèn)為該信號(hào)為真，否則認(rèn)為是假信號(hào)，將其舍棄，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入信號(hào)的確認(rèn)。

3.2.3 軟件容錯(cuò)技術(shù)

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較為復(fù)雜的情況下，各種抗干擾設(shè)計(jì)方案并不可能完全消除或杜絕干擾信號(hào)的出現(xiàn)，干擾信號(hào)總是以某種形式存在于實(shí)際信號(hào)中，并有可能在一定條件下對(duì)測(cè)控系統(tǒng)造成較大的干擾。在軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用軟件容錯(cuò)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(cuò)情況作出判斷，及時(shí)轉(zhuǎn)換至容錯(cuò)程序，完成系統(tǒng)補(bǔ)救措施[5]。

軟件容錯(cuò)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(shí)判斷處理技術(shù)等。

4 實(shí)際應(yīng)用

2015年為某軸承生產(chǎn)單位設(shè)計(jì)制造了6臺(tái)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)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(jī)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)相對(duì)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(jì)算機(jī)的供電與大功率電主軸、電動(dòng)機(jī)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(jì)算機(jī)供電。由于溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器信號(hào)為模擬量信號(hào)，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(jī)柜的保護(hù)地銅排相連。金屬接口機(jī)箱、工業(yè)計(jì)算機(jī)的機(jī)殼亦用4 mm2的黃綠地線與保護(hù)地相連。溫度、壓力、振動(dòng)傳感器信號(hào)采用4～20 mA電流長線傳輸，工業(yè)計(jì)算機(jī)與變頻器485通信采用屏蔽雙絞線傳輸，其屏蔽層與接口機(jī)箱機(jī)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(hào)調(diào)理電路和電子放大器等，屬于工作地，在一點(diǎn)相連且懸浮。

圖9 接地示意圖

由于采取了上述多項(xiàng)抗干擾措施，并結(jié)合獨(dú)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(tái)設(shè)備運(yùn)行1年多來工作狀態(tài)正常、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾效果明顯。

解決測(cè)控系統(tǒng)的干擾是一個(gè)綜合、復(fù)雜的技術(shù)問題，在設(shè)計(jì)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(chǎng)情況，結(jié)合系統(tǒng)自身的特點(diǎn)、技術(shù)要求做出準(zhǔn)確合理的判斷，同時(shí)要考慮到硬件和軟件技術(shù)的可實(shí)施性和成本，有針對(duì)性的采取各項(xiàng)措施，做到更好地抑制干擾、達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)與控制成本的完美結(jié)合。