除了整个系统的结构和每个具体的控制系统都需要仔细设计硬件抗干扰措施之外,还需要注重软件抗干扰措施的应用。有时一个偶然的人为或非人为干扰,例如,并不很强烈的雷击,就使得硬件抗干扰措施无能为力,这在某些重要的工业环节上将造成巨大的事故。使用软件抗干扰措施就可以在一定程度上避免和减轻这些意外事故的后果。
软件抗干扰技术就是利用软件运行过程中对自己进行自监视,和控制网络中各机器间的互监视,来监督和判断控制器是否出错或失效的一个方法。这是SCADA系统抗干扰的最后一道屏障。
1.输入/输出数字量的软件抗干扰技术
1)输入数字量的软件抗干扰技术
干扰信号多呈毛刺状,作用时间短,利用这一特点,对于输入的数字信号,可以通过重复采集的方法,将随机干扰引起的虚假输入状态信号滤除掉。若多次数据采集后,信号总是变化不定,则停止数据采集并报警;或者在一定采集时间内计算出现高电平、低电平的次数,将出现次数高的电平作为实际采集数据。对每次采集的最高次数限额或连续采样次数可按照实际情况适当调整。
2)输出数字量的软件抗干扰技术
当系统受到干扰后,往往使可编程器件的输出端口状态发生变化,因此可以通过反复对这些端口定期重写控制字、输出状态字,来维持既定的输出端口状态。只要可能,其重复周期尽可能短,外部设备收到一个被干扰的错误信息后,还来不及做出有效的反应,一个正确的输出信息又来到了,就可及时防止错误动作的发生。对于重要的输出没备,最好建立反馈检测通道,CPU通过检测输出信号来确定输出结果的正确性,如果检测到错误,便及时修正。
2.指令冗余技术
微机的指令系统中,指令由操作码和操作数组成,操作码指明CPU要完成什么样的操作,而操作数是操作码的对象。CPU的取值过程是先取操作码,后取操作数。如何判断是操作码还是操作数就是通过取指令的顺序。而取指令的顺序完全由指令计数器来控制,因此,一旦指令计数器受干扰出现错误,程序便会脱离正常运行轨道,而出现“飞车”现象,即操作数数值改变及将操作数当作操作码的错误。因单字节指令中仅含有操作码,其中隐含有操作数,所以当程序跑飞到单字节指令时,便自动纳入轨道。但当跑飞到某一双字节指令时,有可能落在操作数上,从而继续出错。当程序跑飞到三字节指令时,因其有两个操作数,继续出错的机会就更大。
为了使跑飞的程序在程序区内迅速纳入正轨,应该多用单字节指令,并在关键地方人为地插入一些单字节指令,如NOP,或将有效单字节指令重复书写,称为指令冗余。指令冗余显然会降低系统的效率,但随着科技的进步,指令的执行时间越来越短,所以一般可以不必考虑其对系统的影响,因此,该方法得到了广泛的应用。具体编程时,可从以下两方面考虑进行指令冗余:
(1)在一些对程序流向起决定作用的指令和某些对工作状态起重要作用的指令之前插入两条NOP指令,以保证跑飞的程序能迅速纳入正常轨道。
(2)在一些对程序流向起决定作用的指令和某些对工作状态起重要作用的指令的后面重复书写这些指令,以确保这些指令的正确执行。
3.软件陷阱技术
当跑飞程序进入非程序区(如EPROM未使用的空间)或表格区时,采用指令冗余技术使程序回归正常轨道的条件便不能满足,此时就不能再采用指令冗余技术,但可以利用软件陷阱技术拦截跑飞程序。
软件陷阱技术就是一条软件引导指令,强行将捕获的程序引向一个指定的地址,在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。
软件抗干扰的内容还有很多,例如,检测量的数字滤波、坏值剔出,人工控制指令的合法性和输入设定值的合法性判别等,这些都是一个完善的SCADA系统必不可少的。
空间抗干扰措施
空间感应包括静电场、高频电磁场,以及磁场引起的干扰,对于这类干扰主要采用隔离、良好的屏蔽和正确的接地方法等加以解决。屏蔽主要用来解决电磁干扰,它将电力线或磁力线的影响限定在某个范围之内或阻止它们进入某个范围。其目的是隔断场的耦合,抑制场的干扰。按抗干扰性能,屏蔽可分为静电屏蔽,电磁屏蔽和磁屏蔽。
电场屏蔽主要解决由于分布电容耦合引入的电场干扰问题,因此屏蔽体应对于干扰呈低阻抗,屏蔽层应放在干扰源和敏感电路之间,而且必须将屏蔽体接地。屏蔽体一般用良导体如铜和铝构成,还要注意屏蔽的连续性。
电磁屏蔽主要克服高频电磁场干扰,它利用良导体在电磁场内产生涡流效应来削弱电磁场的干扰。若将屏蔽接地,则可同时起到电场屏蔽作用。
磁屏蔽主要用来防止低频磁通的干扰,它是利用高导磁率材料,如坡莫合金,铁氧体等将敏感电路包围,使干扰磁场短路。空间感应的抗干扰措施可以有以下几种。
(1)空间隔离。使敏感设备或信号线远离干扰源(如大型动力设备及大变压器等)。
(2)屏蔽。对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层,注意屏蔽层不能随意接地,必要时屏蔽层外还要有绝缘层。
(3)交流输出和直流输出的电缆应分开敷设,输出信号应远离动力电缆、高压电缆和动力设备。应加大动力电缆与信号电缆之间的距离,尽可能不采取平行布线,以减小电磁干扰的影响。信号电缆与动力电缆之间的距离等安装要求应符合电气安装规范。
(4)对交流噪声,可在负荷线圈两端并联RC吸收电路;对直流噪声,可在负荷线圈两端并联二极管。
(5)模拟信号线与数字信号线不要走同一根电缆;信号线与电源线要分开,并尽量避免平行敷设。
(6)注意屏蔽的连续性。即不要使屏蔽体中间断开或使屏蔽体与被屏蔽体过早分离。
(7)采用双绞线或同轴电缆,可以大大减小电磁干扰。有条件的地方,还可以采用性能更优越的光导纤维。
(8)输入和输出信号电线、电缆与高压或大电流动力电线、电缆的敷设,应采取分别穿管配线敷设,或采用电缆沟配线敷设方式