0 引 言
隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,智能建筑對(duì)自動(dòng)化水平要求越來(lái)越高,采用的電子設(shè)備越來(lái)越多,集成度越來(lái)越高,信息存儲(chǔ)量也越來(lái)越大,但耐壓等級(jí)卻較低,對(duì)外界干擾極其敏感,很容易受到各種干擾。
智能建筑環(huán)境存在著大量的電氣干擾源,如大型的變配電設(shè)備、電梯機(jī)房設(shè)備、中央空調(diào)設(shè)備的起/停信號(hào)和雷電干擾等。弱電系統(tǒng)在運(yùn)行中常常由于抗干擾措施不當(dāng),輕則使設(shè)備的工作可靠性降低,產(chǎn)生誤碼、錯(cuò)碼、誤動(dòng)作、系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失,重則使系統(tǒng)處于死機(jī)、故障和癱瘓的狀態(tài)。因此,在智能建筑弱電系統(tǒng)的建設(shè)中不僅要注重性能指標(biāo)和設(shè)備的先進(jìn)性,更要做好系統(tǒng)的防干擾。
1 智能建筑弱電系統(tǒng)構(gòu)成
智能建筑的弱電系統(tǒng)包含樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)和通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)4大部分。每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)又包含了數(shù)個(gè)不同功能的子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的集成構(gòu)成了整個(gè)智能建筑的弱電系統(tǒng),是一個(gè)典型的分布式客戶機(jī)/服務(wù)器(C /S)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為IBMS管理層、系統(tǒng)管理層(含控制層)和設(shè)備層。系統(tǒng)中硬件采用通信網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)和各子系統(tǒng)之間的通信連接,采集各子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)基于TCP / IP協(xié)議的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),軟件基于WindowsNT/XP操作系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的抗干擾
2. 1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的抗干擾
系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮抗干擾是最根本、最有效的措施。以樓宇自控系統(tǒng)為例,其結(jié)構(gòu)多設(shè)計(jì)成分布式控制系統(tǒng),由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、控制級(jí)和操作管理級(jí)構(gòu)成3級(jí)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由幾臺(tái)操作站/工程師站、幾個(gè)控制站,通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信。操作站一般為PC 機(jī), 控制站可選用各類DDC控制器或PLC產(chǎn)品,而控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)可以是LonWorks總線、工業(yè)以太網(wǎng)等。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的抗干擾措施主要有:
(1) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為樹型或總線型結(jié)構(gòu),一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的干擾不會(huì)影響到其他節(jié)點(diǎn)。
(2) 網(wǎng)絡(luò)中的分支接口采用T型連接器,保證各個(gè)操作站、控制站的獨(dú)立性,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗干擾能力。若通信線纜受到干擾,不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
2. 2 設(shè)備選型上的抗干擾
PC機(jī)選用高抗干擾性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī),適于長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行。控制站的各種功能板卡的抗干擾性強(qiáng),如開關(guān)量I/O板選用具有光電隔離性能的,模擬量I/O板選用具有隔離、濾波和限幅性能的。系統(tǒng)中各種I/O接口、網(wǎng)絡(luò)接口元件的抗干擾性能強(qiáng)。
2. 3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)上的抗干擾
系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)上的抗干擾主要是針對(duì)信號(hào)衰減的措施。普通的通信電纜長(zhǎng)度每增加1 m,信號(hào)衰減0. 8 dB,每個(gè)分支器信號(hào)衰減14 dB,每個(gè)電纜接頭信號(hào)衰減1 dB。主要措施如下:
(1) 規(guī)劃好電纜的敷設(shè)方向,使距離最短,分支器和電纜接頭最少,并緊密連接。
(2) 主控制站兩邊的分支點(diǎn)數(shù)和距離應(yīng)盡可能一致,保證網(wǎng)絡(luò)阻抗的良好匹配。
(3) 網(wǎng)絡(luò)兩端應(yīng)接入終端電阻或終端器。
(4) 通信電纜與高壓電纜間距至少應(yīng)保證每千伏40 cm,必須交叉時(shí)應(yīng)垂直交叉。避免與動(dòng)力線平行敷設(shè),并盡量避開大的感性設(shè)備。
(5) 避開高溫及易受腐蝕區(qū)域,保持電纜的屏蔽層。
3 信號(hào)線路上的干擾及處理措施
3. 1 感應(yīng)干擾及處理措施
任何交變電信號(hào)都會(huì)通過(guò)耦合途徑傳播到鄰近的線路上去,因?yàn)樵卩徑木€路之間或強(qiáng)電力電磁設(shè)備與線路之間存在著分布電容及各自對(duì)地的電容,并且線路之間還存在互感,這些信號(hào)的大小決定著感應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)弱。
受干擾線路對(duì)地的阻抗為
Z = ZF ZJ / ( ZF + ZJ ) (1)
式中 ZF ———發(fā)送端內(nèi)阻抗
ZJ ———接收端內(nèi)阻抗感應(yīng)電壓為
U = jωCAB ZUo /1 + jω(CAB + CB ) Z≈jω
CAB ZUo (2)
式中 CAB ———線間分布電容
Uo ———干擾電壓
CA 、CB ———鄰近的兩條線對(duì)地電容由式(2)可知,有時(shí)感應(yīng)電壓很大,會(huì)對(duì)弱電系統(tǒng)造成很大的失真。在進(jìn)行綜合布線時(shí),消除干擾的有效措施有:
(1) 長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)線宜采用小節(jié)距的雙絞線。當(dāng)兩對(duì)雙絞線長(zhǎng)距離平行敷設(shè)時(shí),每隔一段距離應(yīng)做一次位置交叉,以抑制噪聲。
(2) 當(dāng)多根雙絞線在一起敷設(shè)時(shí),最好采用不同節(jié)距的雙絞線。
(3) 信號(hào)線不與動(dòng)力線平行敷設(shè),使信號(hào)線免于強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾。
(4) 對(duì)采用橋架式敷設(shè)的現(xiàn)場(chǎng),盡量使用雙絞線或幾何中心重合的四芯線(纜) 。
(5) 傳輸線中應(yīng)盡可能避免使用不連續(xù)連接的接插件,長(zhǎng)距離傳輸線的終端應(yīng)并聯(lián)一阻抗器件進(jìn)行阻抗匹配。
(6) 投資允許的情況下,對(duì)模擬量信號(hào)采用屏蔽電線(纜) ,并結(jié)合絞合敷設(shè)的方式。
3. 2 信號(hào)線路上的其他干擾及處理措施
無(wú)論是輸入/輸出信號(hào)線,還是通信信號(hào)線,在敷設(shè)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到金屬管道、一次儀表接線有外露接頭等現(xiàn)象。由此引入的干擾,小則需要由具有隔離或?yàn)V波作用的接口元件來(lái)減弱或消除,大則會(huì)使控制系統(tǒng)誤動(dòng)作,甚至損壞所連接的I/O接口。
消除這些干擾的措施有:
(1) 在處理一次儀表接線時(shí),不使接頭外露。
(2) 信號(hào)線在電纜溝或明敷時(shí)采用穿管敷設(shè)的方式,并盡量避開上下水、通風(fēng)及其他金屬管道。
(3) 對(duì)來(lái)自室內(nèi)變電系統(tǒng)的開關(guān)量信號(hào)采用繼電器進(jìn)行隔離。
4 過(guò)電壓保護(hù)措施
由過(guò)電壓沖擊造成的危害和故障也是造成智能建筑弱電系統(tǒng)不能正常工作的重要因素。過(guò)電壓保護(hù)方式有信號(hào)隔離方式、放電方式、開路方式和短路方式幾種,采用最多的是后兩種方式。過(guò)電壓保護(hù)功能往往通過(guò)安裝于設(shè)備的電源、信號(hào)等線路上的各種電涌保護(hù)器( SPD)實(shí)現(xiàn)。目前的保護(hù)器具有以下幾個(gè)功能模塊:氣體放電模塊、ZnO壓敏模塊、限流電阻模塊、瞬變抑制二極管模塊、熱沖擊保險(xiǎn)和熱斷路器模塊。功能模塊的選擇和搭配不同,就形成了不同功能、不同型號(hào)、不同應(yīng)用場(chǎng)所的SPD。常用的有電源、通信信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)接口等保護(hù)器。
4. 1 SPD的安裝位置
第一級(jí)SPD (電壓開關(guān)型)保護(hù)從室外引來(lái)的線路,安裝在總電源進(jìn)線處,如變壓器低壓側(cè)或總配電柜內(nèi)。第二級(jí)SPD (限壓型)保護(hù)后續(xù)配電盤的設(shè)備,安裝在下端帶有大量弱電、信息系統(tǒng)設(shè)備或需限制暫態(tài)過(guò)電壓的設(shè)備配電箱內(nèi),如車間級(jí)控制室、中央控制室、變配電室等的配電箱內(nèi)。同時(shí)為防止高電位竄入,應(yīng)對(duì)所有室外照明或動(dòng)力線路的配電箱安裝SPD。第三級(jí)SPD (浪涌吸收器)保護(hù)需要將瞬態(tài)過(guò)電壓限制到特定水平的電子設(shè)備,安裝在計(jì)算機(jī)設(shè)備、電子設(shè)備及控制設(shè)備前或最近的插座箱內(nèi)。
4. 2 SPD安裝注意事項(xiàng)
(1) 保護(hù)器的額定工作電壓與設(shè)備或線路承載的工作電壓越接近越好,即第一級(jí)SPD應(yīng)靠近建筑物的入戶線的總等電位聯(lián)結(jié)端子處,第二、三級(jí)SPD應(yīng)盡量靠近被保護(hù)設(shè)備。
(2) SPD接至等電位聯(lián)結(jié)的導(dǎo)線要盡可能短而直。SPD在線阻抗不要太大, SPD的接入會(huì)引起信號(hào)衰減。
(3) SPD的安裝應(yīng)進(jìn)行多級(jí)配合,當(dāng)有續(xù)流時(shí),即當(dāng)電壓開關(guān)型與限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度< 10 m時(shí)和限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度< 5 m時(shí),在線路中串接退耦裝置。
(4) 必須考慮退化或壽命終止后可能產(chǎn)生的過(guò)電流或接地故障對(duì)信息系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的影響,因此在SPD電源側(cè)應(yīng)安裝過(guò)電流保護(hù)裝置(如熔斷器或空氣斷路器) 。
(5) 在考慮各設(shè)備之間的過(guò)電壓水平時(shí),若線路無(wú)屏蔽時(shí)尚應(yīng)計(jì)入線路的感應(yīng)電壓。在考慮被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊過(guò)電壓水平時(shí),宜按其值的80 %考慮。
(6) 在供電電壓超過(guò)所規(guī)定的10 %及諧波使電壓幅值加大的場(chǎng)所,應(yīng)根據(jù)具體情況對(duì)ZnO壓敏電阻SPD提高最大持續(xù)工作電壓UC 值。
5 防電磁干擾
在建筑物、建筑群以外的自然環(huán)境及建筑內(nèi)部環(huán)境中存在著大量的電磁干擾,常常會(huì)受到電磁幅射、電磁脈沖、地電位異常、雷電沖擊、靜電感應(yīng)、電弧、強(qiáng)負(fù)荷電流沖擊、電源諧波、高頻電噪聲等有害因素的干擾影響。如電力設(shè)備的電位異常與諧波干擾,電動(dòng)工具的電火花都會(huì)影響通信系統(tǒng)和廣播電視系統(tǒng)的正常工作。無(wú)線電通信、廣播電視、雷達(dá)等系統(tǒng)發(fā)射出的電磁波信號(hào),相對(duì)于其他系統(tǒng)和設(shè)備也是一種干擾。因此,需凈化電磁環(huán)境,防止雜散電磁波干擾,提高系統(tǒng)和設(shè)備的抗干擾能力。
電磁干擾的傳輸途徑主要有傳輸線路和空間輻射兩種方式。主要措施有:
(1) 弱電設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗干擾。弱電設(shè)備的外殼、機(jī)箱(柜)應(yīng)采用金屬材料,或在塑料外殼內(nèi)噴涂一層金屬膜作為屏蔽層;外殼的通風(fēng)孔、進(jìn)出線孔、連接縫隙等要足夠小;設(shè)備內(nèi)部的電路板之間、電路板與電源板之間、電路板上射頻元件區(qū)域都應(yīng)使用厚度≥0. 7 mm的鍍鋅鐵板予以電磁屏蔽,屏蔽鐵板應(yīng)采用鍍銀銅線與外殼地連接;設(shè)備的輸入、輸出端接口電路應(yīng)設(shè)置高/低頻濾波器、光電耦合器等電路,并盡量采用平衡傳輸制式;多采用多層電路板,以減少引線,布線盡量短、粗,以減小環(huán)路電阻,盡可能地減小電路板中的相互電磁干擾。
(2) 電源裝置的抗干擾。可在電源的輸入、輸出端裝設(shè)瞬變電壓抑制器( TVP) ;在電源輸入端隔離變壓器的一次側(cè)與二次側(cè)之間加入接地的金屬屏蔽層;在電源單元中,采用有隔離作用的寬工作電壓范圍( 85～265 V)的開關(guān)電源,可提高電源抗電網(wǎng)電壓跌落的能力;在電源輸入端加裝LC濾波電路是消除對(duì)電源環(huán)節(jié)造成的高頻干擾和共模干擾的有效辦法;在電源與負(fù)載之間串接“電磁干擾對(duì)策元件”———鐵氧體磁環(huán),可以經(jīng)濟(jì)、方便地抑制高頻干擾,同時(shí)還能減小電子設(shè)備通過(guò)電源對(duì)電網(wǎng)中其他設(shè)備的干擾。
(3) 傳輸信號(hào)線路的抗干擾措施,可采用上述的信號(hào)線路上的抗干擾措施,并結(jié)合過(guò)電壓保護(hù)措施。
6 接地抗干擾
接地技術(shù)作為供配電設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分,對(duì)抑制電網(wǎng)干擾有多方面作用。對(duì)智能建筑的接地處理,應(yīng)根據(jù)樓層分布、電氣設(shè)備分布情況,合理設(shè)計(jì)接閃器、引下線和接地裝置,通過(guò)設(shè)置輔助等電位體、利用基礎(chǔ)作為接地體等,進(jìn)行可靠的綜合接地,如圖2所示。過(guò)去有些規(guī)范要求電子設(shè)備單獨(dú)接地,目的是防止電網(wǎng)中雜散電流或暫態(tài)電流干擾設(shè)備的正常工作?，F(xiàn)在的工程領(lǐng)域以及IEC標(biāo)準(zhǔn)和ITU相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都不提倡單獨(dú)接地。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)IEEE1100—1992更尖銳地指出:不建議采用任何一種所謂分開的、獨(dú)立的、計(jì)算機(jī)的、電子的或其他不正確的大地接地體作為設(shè)備接地導(dǎo)體的一個(gè)連接點(diǎn),應(yīng)采用聯(lián)合接地的方法,即通過(guò)等電位聯(lián)結(jié)至共用接地系統(tǒng),且接地電阻≤1Ω。
7 軟件抗干擾
7. 1 數(shù)字濾波
濾波是濾去系統(tǒng)采樣過(guò)程中由于干擾而疊加在采樣信號(hào)上的成分,因干擾成分不同,濾去這些干擾成分的方式也不同。
對(duì)低頻干擾和一些周期性、脈沖性的干擾,使用一階慣性濾波法效果較好。
y ( n) =βx ( n) + (1 -β) y ( n - 1)
式中 y ( n) ———本次濾波輸出值
β———濾波系數(shù)
x ( n) ———本次采樣值
y ( n - 1) ———上次濾波輸出值
對(duì)不同的采樣參數(shù)和干擾成分,β值不同。β= 0～1,一般取0. 75。對(duì)出現(xiàn)頻繁振蕩的采樣信號(hào),采用遞推平均值濾波法效果較好。
式中 y ( €k) ———第k次N 項(xiàng)的遞推平均值
N ———遞推平均的項(xiàng)數(shù)
y ( k - i) ———向前遞推第i項(xiàng)的測(cè)量值N 值過(guò)大,平均效果好,但不靈敏; N 值過(guò)小,
效果不顯著。一般情況下, N (流量) = 12, N (壓力) = 4, N (溫度) = 1。
對(duì)大的隨機(jī)干擾或變送器穩(wěn)定性欠佳所造成的失真所引起的輸入信號(hào)的大幅度跳碼, 采用限幅濾波法。
7. 2 比較取舍法
對(duì)輸入信號(hào)的干擾,采用該方法可以達(dá)到較好的剔除干擾目的。對(duì)相鄰兩次采樣值進(jìn)行比較,計(jì)算出其偏差值,并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定兩次采樣允許的最大偏差值。如果兩次采樣值的偏差超過(guò)最大偏差值,則表明輸入信號(hào)是干擾信號(hào),無(wú)效;反之,輸入信號(hào)有效。
7. 3 輸出限幅
在控制回路中,由于干擾信號(hào)的竄入,可能出現(xiàn)輸出信號(hào)的大幅度變化或產(chǎn)生小的振蕩。設(shè)置
輸出限幅環(huán)節(jié),一旦輸出值≥限定值,則使輸出信號(hào)受到嵌位;同時(shí)設(shè)| Pn | ≤δ時(shí)不予輸出的功能,防止極限環(huán)產(chǎn)生,使系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定地輸出,以保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全。
8 結(jié) 語(yǔ)
提高智能建筑弱電系統(tǒng)的抗干擾性能必須從干擾源、干擾途徑、受擾設(shè)備幾方面同時(shí)采取多種綜合抑制措施才能獲得滿意的效果。對(duì)本文所提出的軟硬件抗干擾措施應(yīng)根據(jù)智能建筑實(shí)際的弱電系統(tǒng)情況有選擇、綜合地實(shí)施。通過(guò)對(duì)干擾的綜合分析、判斷,選用實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、性價(jià)比合理的有效抗干擾措施是實(shí)現(xiàn)智能建筑弱電系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證。
（轉(zhuǎn)載）
