LonWorks数字化电动阀门及其抗电磁干扰试验研究

    1 引言
        阀门是自动化控制领域重要的终端控制设备，是自动化系统的三大组成部分之一。传统电动阀门存在控制方式落后、测量精度低、可靠性差、难以实现设备之间及系统与外界之间信息交换等缺点。数字化电动阀门具有控制装置体积小、功能强、外露故障点少、可实现数字化控制等优点，因此研究数字化电动阀门，对工业生产具有重要的理论意义和实用价值。
        2 LonWorks数字化电动阀门
        数字化技术在电动阀门上的应用是指采用可编程器件作为电动阀门现场控制器的核心，通过编程对其工作进行自动控制，使阀门按照预定顺序完成设定的功能。在阀门工作过程中，其工作状态可以在现场控制器上读取，也可以沿总线网络上传至中央控制室进行显示；中央控制室发出的控制命令，也可沿同一线路传给现场控制器以指挥阀门按照预定    要求工作。
    本试验电动阀门数字化设计的核心是采用微控制器（神经元芯片FT3150）实现对电动阀门行程、转矩的数字化检测与控制，并通过LonWorks现场总线实现电动装置之间互联、互操作，并与上位机进行数字通信，故障诊断由协处理器DSP（TMS320F2812）进行数据采集、处理、判定来实现。系统的结构如图1。
图1 系统结构图
        3 电动阀门数字化设计中的抗干扰性措施
        3.1 硬件抗干扰设计
        由于电动阀门的工作环境一般比较恶劣，现场干扰很严重，对电动阀门的硬件结构提出了很高的要求。为了提高阀门的可靠性和稳定性，必须采取必要的硬件抗干扰措施，有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。只要合理地选择布置有关元器件和参数，就能抑制系统的绝大部分干扰。设计时采用的硬件抗干扰措施主要有：
        1）主协处理器结构。系统采用双CPU结构，主处理器FT3150实现开度控制和通信功能，协处理器TMS320F2812实现电信号采集、处理与转矩辨识。主协处理器分工减轻了主处理器负担，提高了系统的可靠性，并且主协处理器之间仅传输电源和少量控制信号，减少了主协处理器外围电路之间的互相干扰。
        2）传感器隔离。本系统选用磁平衡式CSM050B系列霍尔电流传感器和VSM025A系列霍尔电压传感器，能够很好的实现控制电路与主电路的隔离，从而保证了电路的可靠运行，提高了系统的抗干扰能力，避免了主电路中大电流流过地线时压降带来的干扰。    
        3）通信变压器隔离。通信变压器实现了数字信号输入/输出通信的隔离，本系统选用Echelon公司的FT-X1，并将其连接在主处理器和控制电路之间，，对电磁干扰和高频共膜噪声起到了很好的抑制作用，可有效提高抗干扰能力。
        4）稳定电源设计。CPU电路和I/O电路分别供电，并形成各自的回路，提高了电源抗干扰能力。供电电路采用模块化电源HZA05-220D05P05W，具有体积小、可靠性高等特点，避免了自行设计的电源质量依赖于选用的分立元器件，体积较大、可靠性难以保证等缺点。
        5）元器件选择。选择具有良好电磁兼容（ElectroMagneticCompatibility，EMC）性能的元器件。尽量选择表贴式封装形式，因为表贴式封装器件的引线极短，大大降低了分布电感和电容，改善了高频特性，具有很好的抗干扰性能。如在核心器件Neuron芯片与收发器的选择上，选取了抗干扰能力强、功耗小的智能收发器FT3150；选择外扩存储器地址译码和逻辑控制器件时，采用了高度集成化的CPLD芯片（XC9536）。
        6）印刷电路板布线。电源线和接地线加粗，并尽量缩短走线长度，减小了线路的电感。各单元地线自成回路，并有公共接地点，减少了地电流引起的相互干扰。导线的走线没有弯曲或尖角，减少了因电应力集中引起电弧、电晕而产生的干扰。保持线与线之间有足够的距离，信号线远离电源线。尽可能避免导线分支，在必须分支处圆滑，半径不小于2cm。

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        3.2 软件可靠性设计
        随着计算机控制系统规模的增大，软件复杂性不断增加，对软件的可靠性要求越来越高。尽管硬件抗干扰措施可抑制大部分干扰信号，但因干扰信号产生的原因很复杂，且具有很大的随机性，很难保证系统完全不受干扰。因此在硬件抗干扰措施的基础上，采取必要的软件抗干扰技术极其重要，它作为系统抗干扰措施的重要手段，与硬件抗干扰措施配合，可进一步增强系统的可靠性。
        LonWorks数字化电动阀门及其控制系统软件设计采用了自上而下和结构化程序设计方法，将程序设计成若干个能独立完成某种任务的模块，独立调试和检查，最后对整个软件进行集成统调和检查，以确保软件系统的可靠性。
        软件抗干扰技术具有设计简单、修改灵活、耗费资源少等特点。本系统采用的软件抗干扰措施主要有：
        1）利用CPLD硬件，采用VerilogHDL语言编程实现互锁控制。在电机控制电路中为实现正反转的互锁控制，防止触发信号同时为低电平而导通，采用VerilogHDL语言编程实现电机逻辑互锁功能。由于VerilogHDL语言编程的整个逻辑组合电路在CPLD器件内部完成，因此系统的可靠性和实时性得到增强。
        2）指令重复执行。在对开关量或数字量进行采集时，重复采集多次，直到连续两次或两次以上结果完全相同时才视为有效。在不影响实时性要求前提下，对各次采集信号之间再插入一段延时，使数据可靠性更高。
        3）看门狗技术。指令冗余技术和软件陷阱技术都不能很好的使失控程序摆脱死循环状态，采用看门狗技术能很好的解决这个问题。Neuron芯片由三个看门狗定时器，分别检测三个CPU，如果发现应用程序或系统软件没有定期对这些定时器进行复位，整个Neuron芯片将自动复位。
        4）睡眠抗干扰。由于Neuron芯片很多情况下是在执行一些等待指令和循环检查程序，可通过软件控制使其进入低功耗的睡眠状态，必要时再由唤醒事件重新启动。睡眠状态下存储器、通信端口不使能，地址总线处于高电平取消选定的所有外部设备，数据总线处于输出状态阻止数据线浮动，这些都降低了系统受干扰的概率。
        5）低压保护。复位引脚在低于0.8V的电压上保持了至少20ns时，低压保护器件DS1233向RESET引脚发出重启信号，内部软件复位，Neuron芯片执行重启操作，避免低电压下可能发生的数据错误。
        4 抗电磁干扰试验研究
        本试验主要通过对LonWorks数字化电动阀门进行传导耦合干扰和辐射耦合干扰的抗电磁干扰试验，测定阀门在强电磁干扰环境下的工作情况。所用测量仪器如下：
        （1）GMF-8E型高压毫微秒脉冲源：脉冲峰值（0~4）kV，上升时间3ns，半峰时间35ns；
        （2）脉冲高压探头：LeCroyPPE20kV，衰减比1000：1，3dB带宽100MHz；
        （3）数字存储示波器：LeCroy6100A，采样频率5GHz，模拟带宽1GHz，Tektronix-TDS3032，采样频率2.5GHz，模拟带宽300MHz；
        （4）30kV有界波核电磁脉冲模拟器：脉冲峰值（0~30）kV，上升时间20ns，半峰时间600ns。
        4.1 传导耦合试验
        传导耦合干扰是指通过导线直接耦合到敏感电路中，干扰源与敏感器件之间有完整的电路连接。传导耦合试验原理如图2所示。将阀门之间互连的数据线置于耦合夹中，高压脉冲源产生的高压脉冲经过耦合夹时，数据线上产生感应电压（可由高压探头测得波形），观察LonWorks数字化电动阀门的运行状况。
图2 传导耦合试验原理图    
        4.1.1 传导试验结果
        图3为对LonWorks数字化电动阀门进行数据线路传导耦合试验时测得的电压波形图，其中CH1为高压毫微秒脉冲源侧波形，CH2为LonWorks数字化电动阀门耦合高压脉冲后数据线端口侧波形。测得数据记录如表1所示。
图3 LonWorks数字化电动阀门数据线路耦合电压波形
表1 LonWorks数字化电动阀门传导耦合试验数据
        由表1可以看出，耦合电压在3700V以下时，LonWorks数字化电动阀门可以正常运行，没有出现异常反应；3700V时LonWorks数字化电动阀门在运行中会出现复位操作，工作的连续稳定性受到影响；在4000V的高电压下，LonWorks数字化电动阀门运行中出现死机，运行停止，不能正常工作。由此可以看出，本样机在不大于3700V电压所产生的电场的影响下，仍能正常工作，具有较高的可靠性与稳定性。
图4 有界波模拟器试验原理图
        4.2 辐射耦合试验
        辐射耦合干扰通过空间传播电磁能量，主要由辐射电磁场耦合进敏感设备内形成干扰。采用有界波模拟器对Lon-Works数字化电动阀门进行辐射耦合试验的原理图如图4所示。将LonWorks数字化电动阀门放入有界波模拟器中，加5000V的高压脉冲产生电场，观察该LonWorks数字化电动阀门运行是否正常。    
        辐射耦合试验中，将LonWorks数字化电动阀门放入有界波模拟器，在5000V高压产生的6250V/m的电场下LonWorks数字化电动阀门工作正常。
        以上试验数据是在LonWorks数字化电动阀门数据线屏蔽层没有接地情况下测得的，该情况下LonWorks数字化电动阀门已具有很好的抗电磁干扰能力。屏蔽层接地后，LonWorks数字化电动阀门在耦合电压为7000V时仍能正常运转。现场应用时LonWorks数字化电动阀门数据线屏蔽层是接地的，可见该LonWorks数字化电动阀门具有很强的抗电磁干扰能力，能适应在强电磁干扰情况下的应用。
        5 结论
        本文在已研制的LonWorks数字化电动阀门样机的基础上，进行了该样机抗电磁干扰的软件和硬件设计，并通过试验验证了该设计可有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道，抑制绝大部分的干扰信号，提高了LonWorks数字化电动阀门的可靠性和稳定性，使其在强电场下仍能正常工作，具有很强的抗电磁干扰能力。