隨著計算機控制技術、網絡技術和信息技術的發展,智能建筑對自動化水平要求越來越高,采用的電子設備越來越多,集成度越來越高,信息存儲量也越來越大,但耐壓等級卻較低,對外界干擾極其敏感,很容易受到各種干擾。

智能建筑環境存在著大量的電氣干擾源,如大型的變配電設備、電梯機房設備、中央空調設備的起/停信號和雷電干擾等。弱電系統在運行中常常由于抗干擾措施不當,輕則使設備的工作可靠性降低,產生誤碼、錯碼、誤動作、系統數據丟失,重則使系統處于死機、故障和癱瘓的狀態。因此,在智能建筑弱電系統的建設中不僅要注重性能指標和設備的先進性,更要做好系統的防干擾。

1智能建筑弱電系統構成

智能建筑的弱電系統包含樓宇自動化系統、辦公自動化系統、安全防范系統和通信與網絡系統4大部分。每個系統內又包含了數個不同功能的子系統。這些系統的集成構成了整個智能建筑的弱電系統,是一個典型的分布式客戶機/服務器(C /S)結構。網絡拓撲圖如圖1所示。

系統結構分為IBMS管理層、系統管理層(含控制層)和設備層。系統中硬件采用通信網關實現和各子系統之間的通信連接,采集各子系統現場的實時數據;網絡基于TCP / IP協議的以太網結構,軟件基于WindowsNT/XP操作系統。

2系統結構設計上的抗干擾

2. 1網絡結構上的抗干擾

系統在結構設計上考慮抗干擾是最根本、最有效的措施。以樓宇自控系統為例,其結構多設計成分布式控制系統,由現場設備級、控制級和操作管理級構成3級結構。系統由幾臺操作站/工程師站、幾個控制站,通過控制網絡實現系統的通信。操作站一般為PC 機, 控制站可選用各類DDC控制器或PLC產品,而控制網絡的實現可以是LonWorks總線、工業以太網等。

網絡結構上的抗干擾措施主要有:

(1) 網絡結構為樹型或總線型結構,一個節點上的干擾不會影響到其他節點。

(2) 網絡中的分支接口采用T型連接器,保證各個操作站、控制站的獨立性,增強網絡系統的抗干擾能力。若通信線纜受到干擾,不會影響到整個網絡。

2. 2設備選型上的抗干擾

PC機選用高抗干擾性能的工業控制計算機,適于長期在惡劣環境下連續運行。控制站的各種功能板卡的抗干擾性強,如開關量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。系統中各種I/O接口、網絡接口元件的抗干擾性能強。

2. 3系統通信網絡上的抗干擾

系統通信網絡上的抗干擾主要是針對信號衰減的措施。普通的通信電纜長度每增加1 m,信號衰減0. 8 dB,每個分支器信號衰減14 dB,每個電纜接頭信號衰減1 dB。主要措施如下：

(1) 規劃好電纜的敷設方向,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數和距離應盡可能一致,保證網絡阻抗的良好匹配。

(3) 網絡兩端應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保證每千伏40 cm,必須交叉時應垂直交叉。避免與動力線平行敷設,并盡量避開大的感性設備。

(5) 避開高溫及易受腐蝕區域,保持電纜的屏蔽層。

3信號線路上的干擾及處理措施

3. 1感應干擾及處理措施

任何交變電信號都會通過耦合途徑傳播到鄰近的線路上去,因為在鄰近的線路之間或強電力電磁設備與線路之間存在著分布電容及各自對地的電容,并且線路之間還存在互感,這些信號的大小決定著感應信號的強弱。

受干擾線路對地的阻抗為

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

式中ZF ———發送端內阻抗

ZJ ———接收端內阻抗感應電壓為

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 ———鄰近的兩條線對地電容由式(2)可知,有時感應電壓很大,會對弱電系統造成很大的失真。在進行綜合布線時,消除干擾的有效措施有:

(1) 長距離傳輸信號線宜采用小節距的雙絞線。當兩對雙絞線長距離平行敷設時,每隔一段距離應做一次位置交叉,以抑制噪聲。

(2) 當多根雙絞線在一起敷設時,最好采用不同節距的雙絞線。

(3) 信號線不與動力線平行敷設,使信號線免于強磁場的干擾。

(4) 對采用橋架式敷設的現場,盡量使用雙絞線或幾何中心重合的四芯線(纜) 。

(5) 傳輸線中應盡可能避免使用不連續連接的接插件,長距離傳輸線的終端應并聯一阻抗器件進行阻抗匹配。

(6) 投資允許的情況下,對模擬量信號采用屏蔽電線(纜) ,并結合絞合敷設的方式。

3. 2信號線路上的其他干擾及處理措施

無論是輸入/輸出信號線,還是通信信號線,在敷設時經常會遇到金屬管道、一次儀表接線有外露接頭等現象。由此引入的干擾,小則需要由具有隔離或濾波作用的接口元件來減弱或消除,大則會使控制系統誤動作,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,不使接頭外露。

(2) 信號線在電纜溝或明敷時采用穿管敷設的方式,并盡量避開上下水、通風及其他金屬管道。

(3) 對來自室內變電系統的開關量信號采用繼電器進行隔離。

4過電壓保護措施

由過電壓沖擊造成的危害和故障也是造成智能建筑弱電系統不能正常工作的重要因素。過電壓保護方式有信號隔離方式、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。過電壓保護功能往往通過安裝于設備的電源、信號等線路上的各種電涌保護器( SPD)實現。目前的保護器具有以下幾個功能模塊: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、不同應用場所的SPD。常用的有電源、通信信號、網絡和數據接口等保護器。

4. 1 SPD的安裝位置

第一級SPD (電壓開關型)保護從室外引來的線路,安裝在總電源進線處,如變壓器低壓側或總配電柜內。第二級SPD (限壓型)保護后續配電盤的設備,安裝在下端帶有大量弱電、信息系統設備或需限制暫態過電壓的設備配電箱內,如車間級控制室、中央控制室、變配電室等的配電箱內。同時為防止高電位竄入,應對所有室外照明或動力線路的配電箱安裝SPD。第三級SPD (浪涌吸收器)保護需要將瞬態過電壓限制到特定水平的電子設備,安裝在計算機設備、電子設備及控制設備前或最近的插座箱內。

4. 2 SPD安裝注意事項

(1) 保護器的額定工作電壓與設備或線路承載的工作電壓越接近越好,即第一級SPD應靠近建筑物的入戶線的總等電位聯結端子處,第二、三級SPD應盡量靠近被保護設備。

(2) SPD接至等電位聯結的導線要盡可能短而直。SPD在線阻抗不要太大, SPD的接入會引起信號衰減。

(3) SPD的安裝應進行多級配合,當有續流時,即當電壓開關型與限壓型SPD之間的線路長度< 10 m時和限壓型SPD之間的線路長度< 5 m時,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生的過電流或接地故障對信息系統設備運行的影響,因此在SPD電源側應安裝過電流保護裝置(如熔斷器或空氣斷路器) 。

(5) 在考慮各設備之間的過電壓水平時,若線路無屏蔽時尚應計入線路的感應電壓。在考慮被保護設備的耐沖擊過電壓水平時,宜按其值的80 %考慮。

(6) 在供電電壓超過所規定的10 %及諧波使電壓幅值加大的場所,應根據具體情況對ZnO壓敏電阻SPD提高最大持續工作電壓UC 值。

5防電磁干擾

在建筑物、建筑群以外的自然環境及建筑內部環境中存在著大量的電磁干擾,常常會受到電磁幅射、電磁脈沖、地電位異常、雷電沖擊、靜電感應、電弧、強負荷電流沖擊、電源諧波、高頻電噪聲等有害因素的干擾影響。如電力設備的電位異常與諧波干擾,電動工具的電火花都會影響通信系統和廣播電視系統的正常工作。無線電通信、廣播電視、雷達等系統發射出的電磁波信號,相對于其他系統和設備也是一種干擾。因此,需凈化電磁環境,防止雜散電磁波干擾,提高系統和設備的抗干擾能力。

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) 弱電設備內部結構的抗干擾。弱電設備的外殼、機箱(柜)應采用金屬材料,或在塑料外殼內噴涂一層金屬膜作為屏蔽層;外殼的通風孔、進出線孔、連接縫隙等要足夠小;設備內部的電路板之間、電路板與電源板之間、電路板上射頻元件區域都應使用厚度≥0. 7 mm的鍍鋅鐵板予以電磁屏蔽,屏蔽鐵板應采用鍍銀銅線與外殼地連接;設備的輸入、輸出端接口電路應設置高/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、輸出端裝設瞬變電壓抑制器( TVP) ;在電源輸入端隔離變壓器的一次側與二次側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)的開關電源,可提高電源抗電網電壓跌落的能力;在電源輸入端加裝LC濾波電路是消除對電源環節造成的高頻干擾和共模干擾的有效辦法;在電源與負載之間串接“電磁干擾對策元件”———鐵氧體磁環,可以經濟、方便地抑制高頻干擾,同時還能減小電子設備通過電源對電網中其他設備的干擾。

(3) 傳輸信號線路的抗干擾措施,可采用上述的信號線路上的抗干擾措施,并結合過電壓保護措施。

6接地抗干擾

接地技術作為供配電設計的一個組成部分,對抑制電網干擾有多方面作用。對智能建筑的接地處理,應根據樓層分布、電氣設備分布情況,合理設計接閃器、引下線和接地裝置,通過設置輔助等電位體、利用基礎作為接地體等,進行可靠的綜合接地,如圖2所示。過去有些規范要求電子設備單獨接地,目的是防止電網中雜散電流或暫態電流干擾設備的正常工作。現在的工程領域以及IEC標準和ITU相關標準中都不提倡單獨接地。美國標準IEEE1100—1992更尖銳地指出:不建議采用任何一種所謂分開的、獨立的、計算機的、電子的或其他不正確的大地接地體作為設備接地導體的一個連接點,應采用聯合接地的方法,即通過等電位聯結至共用接地系統,且接地電阻≤1Ω。

7軟件抗干擾

7. 1數字濾波

濾波是濾去系統采樣過程中由于干擾而疊加在采樣信號上的成分,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

x ( n) ———本次采樣值

y ( n - 1) ———上次濾波輸出值

對不同的采樣參數和干擾成分,β值不同。β= 0～1,一般取0. 75。對出現頻繁振蕩的采樣信號,采用遞推平均值濾波法效果較好。

式中y ( €k) ———第k次N 項的遞推平均值

N ———遞推平均的項數

y ( k - i) ———向前遞推第i項的測量值N 值過大,平均效果好,但不靈敏; N 值過小,

效果不顯著。一般情況下, N (流量) = 12, N (壓力) = 4, N (溫度) = 1。

對大的隨機干擾或變送器穩定性欠佳所造成的失真所引起的輸入信號的大幅度跳碼, 采用限幅濾波法。

7. 2比較取舍法

對輸入信號的干擾,采用該方法可以達到較好的剔除干擾目的。對相鄰兩次采樣值進行比較,計算出其偏差值,并根據經驗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最大偏差值,則表明輸入信號是干擾信號,無效;反之,輸入信號有效。

7. 3輸出限幅

在控制回路中,由于干擾信號的竄入,可能出現輸出信號的大幅度變化或產生小的振蕩。設置

輸出限幅環節,一旦輸出值≥限定值,則使輸出信號受到嵌位;同時設| Pn | ≤δ時不予輸出的功能,防止極限環產生,使系統能夠正常、穩定地輸出,以保護執行機構的安全。

8結語

提高智能建筑弱電系統的抗干擾性能必須從干擾源、干擾途徑、受擾設備幾方面同時采取多種綜合抑制措施才能獲得滿意的效果。對本文所提出的軟硬件抗干擾措施應根據智能建筑實際的弱電系統情況有選擇、綜合地實施。通過對干擾的綜合分析、判斷,選用實現簡單、維護方便、性價比合理的有效抗干擾措施是實現智能建筑弱電系統正常運行的保證。

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