【干货】常见的弱电系统抗干扰保护措施

随着计算机控制技术、网络技术和信息技术的发展,智能建筑对自动化水平要求越来越高,采用的电子设备越来越多,集成度越来越高,信息存储量也越来越大,但耐压等级却较低,对外界干扰极其敏感,很容易受到各种干扰。

智能建筑环境存在着大量的电气干扰源,如大型的变配电设备、电梯机房设备、中央空调设备的起/停信号和雷电干扰等。弱电系统在运行中常常由于抗干扰措施不当,轻则使设备的工作可靠性降低,产生误码、错码、误动作、系统数据丢失,重则使系统处于死机、故障和瘫痪的状态。因此,在智能建筑弱电系统的建设中不仅要注重性能指标和设备的先进性,更要做好系统的防干扰。

1智能建筑弱电系统构成

智能建筑的弱电系统包含楼宇自动化系统、办公自动化系统、安全防范系统和通信与网络系统4大部分。每个系统内又包含了数个不同功能的子系统。这些系统的集成构成了整个智能建筑的弱电系统,是一个典型的分布式客户机/服务器(C /S)结构。网络拓扑图如图1所示。

系统结构分为IBMS管理层、系统管理层(含控制层)和设备层。系统中硬件采用通信网关实现和各子系统之间的通信连接,采集各子系统现场的实时数据;网络基于TCP / IP协议的以太网结构,软件基于WindowsNT/XP操作系统。

2系统结构设计上的抗干扰

2. 1网络结构上的抗干扰

系统在结构设计上考虑抗干扰是最根本、最有效的措施。以楼宇自控系统为例,其结构多设计成分布式控制系统,由现场设备级、控制级和操作管理级构成3级结构。系统由几台操作站/工程师站、几个控制站,通过控制网络实现系统的通信。操作站一般为PC 机, 控制站可选用各类DDC控制器或PLC产品,而控制网络的实现可以是LonWorks总线、工业以太网等。

网络结构上的抗干扰措施主要有:

(1) 网络结构为树型或总线型结构,一个节点上的干扰不会影响到其他节点。

(2) 网络中的分支接口采用T型连接器,保证各个操作站、控制站的独立性,增强网络系统的抗干扰能力。若通信线缆受到干扰,不会影响到整个网络。

2. 2设备选型上的抗干扰

PC机选用高抗干扰性能的工业控制计算机,适于长期在恶劣环境下连续运行。控制站的各种功能板卡的抗干扰性强,如开关量I/O板选用具有光电隔离性能的,模拟量I/O板选用具有隔离、滤波和限幅性能的。系统中各种I/O接口、网络接口元件的抗干扰性能强。

2. 3系统通信网络上的抗干扰

系统通信网络上的抗干扰主要是针对信号衰减的措施。普通的通信电缆长度每增加1 m,信号衰减0. 8 dB,每个分支器信号衰减14 dB,每个电缆接头信号衰减1 dB。主要措施如下：

(1) 规划好电缆的敷设方向,使距离最短,分支器和电缆接头最少,并紧密连接。

(2) 主控制站两边的分支点数和距离应尽可能一致,保证网络阻抗的良好匹配。

(3) 网络两端应接入终端电阻或终端器。

(4) 通信电缆与高压电缆间距至少应保证每千伏40 cm,必须交叉时应垂直交叉。避免与动力线平行敷设,并尽量避开大的感性设备。

(5) 避开高温及易受腐蚀区域,保持电缆的屏蔽层。

3信号线路上的干扰及处理措施

3. 1感应干扰及处理措施

任何交变电信号都会通过耦合途径传播到邻近的线路上去,因为在邻近的线路之间或强电力电磁设备与线路之间存在着分布电容及各自对地的电容,并且线路之间还存在互感,这些信号的大小决定着感应信号的强弱。

受干扰线路对地的阻抗为

Z = ZF ZJ / ( ZF + ZJ ) (1)

式中ZF ———发送端内阻抗

ZJ ———接收端内阻抗感应电压为

U = jωCAB ZUo /1 + jω(CAB + CB ) Z≈jω

CAB ZUo (2)

式中CAB ———线间分布电容

Uo ———干扰电压

CA 、CB ———邻近的两条线对地电容由式(2)可知,有时感应电压很大,会对弱电系统造成很大的失真。在进行综合布线时,消除干扰的有效措施有:

(1) 长距离传输信号线宜采用小节距的双绞线。当两对双绞线长距离平行敷设时,每隔一段距离应做一次位置交叉,以抑制噪声。

(2) 当多根双绞线在一起敷设时,最好采用不同节距的双绞线。

(3) 信号线不与动力线平行敷设,使信号线免于强磁场的干扰。

(4) 对采用桥架式敷设的现场,尽量使用双绞线或几何中心重合的四芯线(缆) 。

(5) 传输线中应尽可能避免使用不连续连接的接插件,长距离传输线的终端应并联一阻抗器件进行阻抗匹配。

(6) 投资允许的情况下,对模拟量信号采用屏蔽电线(缆) ,并结合绞合敷设的方式。

3. 2信号线路上的其他干扰及处理措施

无论是输入/输出信号线,还是通信信号线,在敷设时经常会遇到金属管道、一次仪表接线有外露接头等现象。由此引入的干扰,小则需要由具有隔离或滤波作用的接口元件来减弱或消除,大则会使控制系统误动作,甚至损坏所连接的I/O接口。

消除这些干扰的措施有:

(1) 在处理一次仪表接线时,不使接头外露。

(2) 信号线在电缆沟或明敷时采用穿管敷设的方式,并尽量避开上下水、通风及其他金属管道。

(3) 对来自室内变电系统的开关量信号采用继电器进行隔离。

4过电压保护措施

由过电压冲击造成的危害和故障也是造成智能建筑弱电系统不能正常工作的重要因素。过电压保护方式有信号隔离方式、放电方式、开路方式和短路方式几种,采用最多的是后两种方式。过电压保护功能往往通过安装于设备的电源、信号等线路上的各种电涌保护器( SPD)实现。目前的保护器具有以下几个功能模块:气体放电模块、ZnO压敏模块、限流电阻模块、瞬变抑制二极管模块、热冲击保险和热断路器模块。功能模块的选择和搭配不同,就形成了不同功能、不同型号、不同应用场所的SPD。常用的有电源、通信信号、网络和数据接口等保护器。

4. 1 SPD的安装位置

第一级SPD (电压开关型)保护从室外引来的线路,安装在总电源进线处,如变压器低压侧或总配电柜内。第二级SPD (限压型)保护后续配电盘的设备,安装在下端带有大量弱电、信息系统设备或需限制暂态过电压的设备配电箱内,如车间级控制室、中央控制室、变配电室等的配电箱内。同时为防止高电位窜入,应对所有室外照明或动力线路的配电箱安装SPD。第三级SPD (浪涌吸收器)保护需要将瞬态过电压限制到特定水平的电子设备,安装在计算机设备、电子设备及控制设备前或最近的插座箱内。

4. 2 SPD安装注意事项

(1) 保护器的额定工作电压与设备或线路承载的工作电压越接近越好,即第一级SPD应靠近建筑物的入户线的总等电位联结端子处,第二、三级SPD应尽量靠近被保护设备。

(2) SPD接至等电位联结的导线要尽可能短而直。SPD在线阻抗不要太大, SPD的接入会引起信号衰减。

(3) SPD的安装应进行多级配合,当有续流时,即当电压开关型与限压型SPD之间的线路长度< 10 m时和限压型SPD之间的线路长度< 5 m时,在线路中串接退耦装置。

(4) 必须考虑退化或寿命终止后可能产生的过电流或接地故障对信息系统设备运行的影响,因此在SPD电源侧应安装过电流保护装置(如熔断器或空气断路器) 。

(5) 在考虑各设备之间的过电压水平时,若线路无屏蔽时尚应计入线路的感应电压。在考虑被保护设备的耐冲击过电压水平时,宜按其值的80 %考虑。

(6) 在供电电压超过所规定的10 %及谐波使电压幅值加大的场所,应根据具体情况对ZnO压敏电阻SPD提高最大持续工作电压UC 值。

5防电磁干扰

在建筑物、建筑群以外的自然环境及建筑内部环境中存在着大量的电磁干扰,常常会受到电磁幅射、电磁脉冲、地电位异常、雷电冲击、静电感应、电弧、强负荷电流冲击、电源谐波、高频电噪声等有害因素的干扰影响。如电力设备的电位异常与谐波干扰,电动工具的电火花都会影响通信系统和广播电视系统的正常工作。无线电通信、广播电视、雷达等系统发射出的电磁波信号,相对于其他系统和设备也是一种干扰。因此,需净化电磁环境,防止杂散电磁波干扰,提高系统和设备的抗干扰能力。

电磁干扰的传输途径主要有传输线路和空间辐射两种方式。主要措施有:

(1) 弱电设备内部结构的抗干扰。弱电设备的外壳、机箱(柜)应采用金属材料,或在塑料外壳内喷涂一层金属膜作为屏蔽层;外壳的通风孔、进出线孔、连接缝隙等要足够小;设备内部的电路板之间、电路板与电源板之间、电路板上射频元件区域都应使用厚度≥0. 7 mm的镀锌铁板予以电磁屏蔽,屏蔽铁板应采用镀银铜线与外壳地连接;设备的输入、输出端接口电路应设置高/低频滤波器、光电耦合器等电路,并尽量采用平衡传输制式;多采用多层电路板,以减少引线,布线尽量短、粗,以减小环路电阻,尽可能地减小电路板中的相互电磁干扰。

(2) 电源装置的抗干扰。可在电源的输入、输出端装设瞬变电压抑制器( TVP) ;在电源输入端隔离变压器的一次侧与二次侧之间加入接地的金属屏蔽层;在电源单元中,采用有隔离作用的宽工作电压范围( 85～265 V)的开关电源,可提高电源抗电网电压跌落的能力;在电源输入端加装LC滤波电路是消除对电源环节造成的高频干扰和共模干扰的有效办法;在电源与负载之间串接“电磁干扰对策元件”———铁氧体磁环,可以经济、方便地抑制高频干扰,同时还能减小电子设备通过电源对电网中其他设备的干扰。

(3) 传输信号线路的抗干扰措施,可采用上述的信号线路上的抗干扰措施,并结合过电压保护措施。

6接地抗干扰

接地技术作为供配电设计的一个组成部分,对抑制电网干扰有多方面作用。对智能建筑的接地处理,应根据楼层分布、电气设备分布情况,合理设计接闪器、引下线和接地装置,通过设置辅助等电位体、利用基础作为接地体等,进行可靠的综合接地,如图2所示。过去有些规范要求电子设备单独接地,目的是防止电网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作。现在的工程领域以及IEC标准和ITU相关标准中都不提倡单独接地。美国标准IEEE1100—1992更尖锐地指出:不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、计算机的、电子的或其他不正确的大地接地体作为设备接地导体的一个连接点,应采用联合接地的方法,即通过等电位联结至共用接地系统,且接地电阻≤1Ω。

7软件抗干扰

7. 1数字滤波

滤波是滤去系统采样过程中由于干扰而叠加在采样信号上的成分,因干扰成分不同,滤去这些干扰成分的方式也不同。

对低频干扰和一些周期性、脉冲性的干扰,使用一阶惯性滤波法效果较好。

y ( n) =βx ( n) + (1 -β) y ( n - 1)

式中y ( n) ———本次滤波输出值

β———滤波系数

x ( n) ———本次采样值

y ( n - 1) ———上次滤波输出值

对不同的采样参数和干扰成分,β值不同。β= 0～1,一般取0. 75。对出现频繁振荡的采样信号,采用递推平均值滤波法效果较好。

式中y ( €k) ———第k次N 项的递推平均值

N ———递推平均的项数

y ( k - i) ———向前递推第i项的测量值N 值过大,平均效果好,但不灵敏; N 值过小,

效果不显著。一般情况下, N (流量) = 12, N (压力) = 4, N (温度) = 1。

对大的随机干扰或变送器稳定性欠佳所造成的失真所引起的输入信号的大幅度跳码, 采用限幅滤波法。

7. 2比较取舍法

对输入信号的干扰,采用该方法可以达到较好的剔除干扰目的。对相邻两次采样值进行比较,计算出其偏差值,并根据经验确定两次采样允许的最大偏差值。如果两次采样值的偏差超过最大偏差值,则表明输入信号是干扰信号,无效;反之,输入信号有效。

7. 3输出限幅

在控制回路中,由于干扰信号的窜入,可能出现输出信号的大幅度变化或产生小的振荡。设置

输出限幅环节,一旦输出值≥限定值,则使输出信号受到嵌位;同时设| Pn | ≤δ时不予输出的功能,防止极限环产生,使系统能够正常、稳定地输出,以保护执行机构的安全。

8结语

提高智能建筑弱电系统的抗干扰性能必须从干扰源、干扰途径、受扰设备几方面同时采取多种综合抑制措施才能获得满意的效果。对本文所提出的软硬件抗干扰措施应根据智能建筑实际的弱电系统情况有选择、综合地实施。通过对干扰的综合分析、判断,选用实现简单、维护方便、性价比合理的有效抗干扰措施是实现智能建筑弱电系统正常运行的保证。

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