电梯控制系统中的抗干扰设计

电梯控制系统中的抗干扰设计

一、引言

电梯工作环境中往往存在大量的干扰源，如供电系统电源往往不是纯净的50HZ 的正弦波，而可能含有脉冲型躁声或持续躁声成分，以及各次谐波等；控制柜微机板与各节点带微处理器的PBC板（如安装于轿顶电器箱、串行通讯箱、各厅外召唤箱等）的前后向通道及其传输线之间容易窜入干扰信号等；电梯井道内传送的信号（如厅外按钮信号、厅外层楼显示信号、端站强迫减速开关信号等）通常以系统电源公用零线作为参考点，这些电源公用零线上存在着分布电阻、分布电容和分布电感，当电流流过这些分布参数阻抗时产生压降，在瞬变过程中压降更为严重；VVVF电梯变频器产生的高次谐波和电磁干扰（EMI）等。当电梯控制系统因干扰而产生故障时，可能对人身安全构成很大的威胁。鉴于电梯用于载人的场合，其使用的可靠性、安全性尤为重要，因此我们对电梯控制系统的抗干扰问题要高度重视。

二、硬件抗干扰技术

1．串模干扰及其抑制

串模干扰是串联于信号源回路中的干扰，也称横向干扰或正态干扰。该躁声侵入信号的往返线路上，躁声电流和信号电流的路径在往返两条线上是一致的。

其产生原因有公共阻抗的耦合、长线传输反射、电磁感应耦合等。在电梯串行通信系统中的信号引线宜采用双绞线，以有效地抑制串模干扰。这是由于双绞线不易受电磁感应的影响。因为把电流方向相反、流量相等的两根导线相互拧合，由于感应电流的方向相反，从整体看，感应磁通引起的躁声电流互相抵消。同时采用低通滤波器可以有效地抑制电源高次谐波。

2．共模干扰及其抑制

共模干扰是由于微处理器地、放大器地和信号源地之间的电位差而产生的干扰，也称为纵向干扰或共态干扰。其躁声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返两条线路中流过。

在平衡传输中，对于采用差动输入结构的接受单元而言，共模干扰不起作用；但是，在不平衡传输结构中，共模干扰将会转换为串模干扰而对接受单元造成影响，而且不平衡程度越大，影响就越严重。

对共模干扰的抑制首先要考虑隔离措施，把共模干扰隔离在接口外部。对进入内部的共模干扰采用共模扼流圈、线路对称化和降低线路电阻等方法削弱其影响。其中隔离措施有变压器隔离、光电隔离和浮地屏蔽。变压器隔离是利用变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔离开来；光电隔离是利用光电耦合器来实现两个电路系统间的隔离；浮地屏蔽是采用浮地隔离式放大器来抑制共模干扰电压。其中光电隔离具有体积小、成本低和使用简便等特点。如在电梯控制中广泛应用的可编程控制器（PLC），由于采用了输入输出口的光电隔离和各模块的屏蔽等严格的抗干扰措施，使得PLC 具有极高的抗干扰能力和运行可靠性，故采用PLC作为电梯的主控制器是一个很好的选择。尤其是PLC技术本身也不断发展和进步，其数学运算、通讯和软件编程的功能也大大加强了，以至能满足电梯群控和远程通讯的复杂控制功能的要求。

3．长线传输干扰及其抑制

长线传输干扰是传输通道干扰的主要因素，在电梯控制系统中，传输线上的信息

多为数字脉冲信号。它在传输线上传输时会出现延时、畸变、衰减及产生波反射现象。一般用双绞线作为信号线对抵抗电磁感应干扰有较好性能，加屏蔽后静电能降低两个数量级；在传输线的始端与终端均用差动方式，可抑制共模干扰；对传输线因反射造成波形失真形成干扰可采用终端或始端阻抗匹配；采用绝缘隔离方式可以切断控制柜主微机板与输入输出信号之间直接电路联系，从而有效地抑制各种尖峰脉冲和躁声，防止干扰信号窜入主机。

4．接地技术

正确的接地既能抑制干扰的影响，又能抑制设备向外发生干扰，故对接地必须慎重处理。须提出的是，这里所讨论的接地不是一般用电设备的安全接地，而是抗干扰用的“EMI”接地，它要求在高频时有很低的高频阻抗。

1）电路板内的信号地

①对于低频电路应遵循“一点接地”地原则。如果形成多点接地，会出现闭合地接地环路，当低频或脉冲磁场穿过该环路时将产生磁感应躁声，于是不同接地点之间会出现电位差，形成干扰。为实现“一点接地”，可采用放射式接地电路，或者采用干线式接地线路。

②对于高频电路宜用多点接地。高频时即使较短的一段地线也有较大的阻抗压降，而且由于分布电容的作用，实际上也很难实现“一点接地”。因此，为降低接地阻抗、消除分布电容的影响而采用平面式多电接地，即利用一导电平面作为基准地，需要接地的各部分接到该基准地上。由于导电平面的高频阻抗很低，所以各处的基准电位比较接近。为进一步减少接地回路的压降，可用旁路电容等办法减少返回电流的幅值及前沿陡度。

③对混合电路而言，须对不同回路的性质采用不同的接地方式。如低频信号回路和功率回路分别有各自的接地母线，高频回路用平面式多点接地，然后再以放射式把上述三种回路连到公共的基准点，通常多以功率回路的基准点作为公共点。

2）屏蔽接地

当信号电缆的长度L＜0.15λ（λ为信号波长）时，即为低频电缆，则要求单点接地，一般均在输出端接地，若输出端不接地，也可以在输入信号源端接地。当信号电缆的长度L＞0.15λ时，即为高频电缆，则要求多点接地，以保证屏蔽层上的地电位。输入信号电缆的屏蔽层不能在机壳内接地，只能在机壳的入口处接地，此时屏蔽层上的外加干扰信号直接在机壳入口处接地，避免屏蔽层将外加干扰带入控制柜内的信号电路。

三、软件抗干扰技术

1．利用自检程序检查软回路

系统上电运行前，控制柜微机板的单片机先进行上电自检，检查各I/O口的状态、电梯的软硬件安全回路、电梯厅轿门状态、电梯的位置等。如发现有错误，则根据故障类型相应进入各故障类型的处理程序。直至故障排除，才进入正常运行程序。在正常运行程序其间，CPU还始终对电梯的位置、速度和软硬件安全回路等进行监控。以确保电梯的使用安全性。

2．利用陷阱技术防止干扰造成的乱序扩展下去

在非程序区设置一些陷阱程序。电梯正常运行时程序指针不会指到非程序区，当程序弹飞陷阱处时强令程序恢复初始状态，避免电梯发生故障。

3．利用冗余技术屏蔽干扰信号

通过多次采样输入判断，以提高输入的可靠性；利用多次重复输出来判断，提高

输出信息的可靠性；重新初始化，强令恢复正常工作，以免PIO不正常影响输入和输出；查询中断源状态，防止干扰造成误中断；对重要的指令重复写上多个，即使某一个被干扰，程序仍可执行。

4．利用看门狗定时复位技术（W ATCHDOG）

设计一个硬件计时器，并在软件上设计超时处理程序，当需要对电梯进行超时监视时，先对计时器初始化，设定定时常数，然后转去执行正常程序。如电梯发生强电干扰使程序进入死循环，只要计时器设置的时间已到，CPU就会按设计者设定的处理方案进入系统自恢复。

以上抗干扰设计已成功应用于我公司自行开发的电梯控制系统中，经过一年多的现场实验证明，以上措施有效可靠。