人體靜電對復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的影響

李天利

(陜西科技大學(xué)，陜西西安，710021)

1 靜電

1.1 靜電和靜電放電

靜電是物體所帶相對靜止不動、單極性的電荷。靜電起電機(jī)理一般分為接觸、分離、摩擦三個過程，在此過程中引起電荷轉(zhuǎn)移，正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個物體上而形成靜電。靜電源與其他物體接觸時，依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓，也就是靜電放電 (ESD)是具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移［1］。

靜電具有高電位 (數(shù)萬伏)、低電量 (毫微庫侖)、作用時間短 (微秒或納秒)、與濕度有關(guān)的特點(diǎn)。靜電的基本物理特性有:①力學(xué)效應(yīng):同性排斥，異性相吸;②放電效應(yīng):ESD伴隨著產(chǎn)生熱，寬頻帶電磁輻射，瞬間放電電流峰會可達(dá)幾安以上;③感應(yīng)效應(yīng):感應(yīng)電壓可達(dá)數(shù)萬伏。

1.2 人體靜電及其能量

1.2.1 人體靜電［2］

人體通過衣服摩擦、在地面上行走和與家具以及器具的接觸和分離、還有其他的靜電感應(yīng)等途徑，讓任何帶電物體都很容易將所攜帶的電荷轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電的人體皮膚上，使得人體成為復(fù)卷機(jī)電氣控制室內(nèi)最主要的靜電放電源。一個物體上所積累的電荷儲存在該物體的電容中，人體電容是存在的，該電容被稱之為自由空間電容，其第二平板即為地球。一個人體在自由空間中的電容約為50 pF。除此以外，人體電容還包括腳底與地面之間的電容 (約100 pF)，如果人體接近墻壁等周圍的某些物體，還會增加50～100 pF的電容。所以人體電容等于人體自由空間電容與平板電容之和，在50～250 pF之間變化。人體電容也可用經(jīng)驗(yàn)公式 (1)計(jì)算。

式中，C為人體電容，pF;H為人體高度，cm;K為鞋底材料的介質(zhì)常數(shù);A為兩只鞋底的總面積，cm2;D為鞋底厚度，cm。

人體電阻是非線性的，根據(jù)研究結(jié)果，當(dāng)人體有有完好的角質(zhì)外層并且很干燥時，人體電阻大約10 kΩ，當(dāng)角質(zhì)外層破壞時，人體電阻降為0.8～1.0 kΩ［3］，因此人體電阻值約在0.8～10 kΩ 之間。此外，人體電阻和人體產(chǎn)生放電的位置也有關(guān)，若手指尖放電，人體電阻約為10 kΩ;若手掌放電，人體電阻約為1 kΩ;若在手持的金屬物體上放電，人體電阻約為500 Ω;若放電發(fā)生在較大的金屬物體上，人體電阻可以減小為50 Ω。

人體靜電放電的等效電路的電容和電阻是串聯(lián)的。通常，人體不會感受到靜電電壓在3.5 kV以下所產(chǎn)生的放電，只有電壓達(dá)到25 kV，人體才會感到疼痛。

1.2.2 人體靜電的能量及放電規(guī)律

按照電工理論［3］，人體帶電時所具有的能量按公式 (2)計(jì)算。

式中，W為人體帶電具有的能量，J;C為人體對地電容，F(xiàn);U為人體靜電電壓，V。

帶靜電的人體接觸其他導(dǎo)電物體 (設(shè)其電阻為R)形成回路時就可放電，放電的規(guī)律為指數(shù)規(guī)律［3］:

式中，R為人體電阻和人體所接觸導(dǎo)體的等效電阻，Ω;U為人體靜電電壓初始值，V。RC=τ為靜電放電的時間常數(shù)，s。

放電電流的大小為［3］:

式中，i(t)為人體放電電流，A。

2 人體靜電對復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的影響

無論復(fù)卷機(jī)的電氣控制設(shè)備［4］是直流傳動還是交流傳動，都采用調(diào)速裝置，輔助控制中采用繼電器、接觸器、熱繼電器、空氣開關(guān)等設(shè)備，上位機(jī)采用工控機(jī)或工業(yè)用一般臺式機(jī)，控制器件采用可編程序控制器 (PLC)。為了保證復(fù)卷機(jī)的正常平穩(wěn)運(yùn)行，上述設(shè)備、元器件的性能必須在復(fù)卷機(jī)的運(yùn)行過程中穩(wěn)定可靠。但是如果帶有靜電的人體 (或其他物體)接觸了這些設(shè)備而放電，會造成以下的影響。

(1)對控制設(shè)備的分立元器件造成損害，從而使相應(yīng)的設(shè)備控制失靈或性能下降。表1所列為半導(dǎo)體器件的靜電破壞電壓［5］。從表1可以看出，常見分離元器件的靜電破壞電壓都比較有限，難以承受帶有靜電的人體的接觸放電，雖然調(diào)速設(shè)備自身帶有靜電防護(hù)，但也不能確保萬無一失。

人體靜電放電電流密度高、電壓高、時間短，使器件的電壓電流變化率大而引起器件、導(dǎo)體局部過熱擊穿，造成永久損壞。公式 (3)中τ=RC是人體靜電放電的時間常數(shù)，這個值很小，例如R=10 kΩ (人體電阻和人體所接觸導(dǎo)體的等效電阻)，C=250 pF時，τ=RC=2.5 μs，按照電路理論一般經(jīng)過3～4τ(即大約10 μs，計(jì)算時取的R和C的值都大，所以實(shí)際放電的時間會遠(yuǎn)小于10 μs)放電就會結(jié)束［3］。若帶電人體的靜電電壓U=10 kV，按公式 (4)計(jì)算出放電的電流初始值 (t=0時)為1 A，則電流電壓變化率分別為:這個值已遠(yuǎn)超器件的承受能力。會引起器件、導(dǎo)體局部過熱擊穿，造成永久損壞，從而使復(fù)卷機(jī)控制失靈。

表1 半導(dǎo)體器件的靜電破壞電壓

(2)對控制設(shè)備中的集成電路造成損害，從而使相應(yīng)的設(shè)備控制失靈或性能下降。高密度集成電路組件，不論是MOS器件，還是雙極性器件都可能因靜電電場和靜電放電電流引起失效，或造成難以被人們發(fā)現(xiàn)的“軟故障”，給整機(jī)留下隱患，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量壽命和性能。

(3)對計(jì)算機(jī)造成影響。當(dāng)人體靜電觸及電子計(jì)算機(jī)時，對計(jì)算機(jī)放電，有可能使計(jì)算機(jī)輸入單元錯誤采集，造成計(jì)算機(jī)運(yùn)算和判斷出錯而產(chǎn)生錯誤輸出，例如如果靜電放電時剛好引起“斷紙檢測”光電傳感器的輸入通道誤輸入，就可能造成復(fù)卷機(jī)的立即停機(jī)。另外靜電放電還會有可能使計(jì)算機(jī)的用戶程序紊亂、干擾數(shù)據(jù)總線使數(shù)據(jù)無法傳送或傳送不準(zhǔn)確等。

(4)人體所帶靜電的能量具有一定的危險。例如R=10 kΩ (人體電阻和人體所接觸導(dǎo)體的等效電阻)，C=250 pF時按照公式 (2)計(jì)算得W=12.5 mJ=1250 μJ，對于某些危險品100 ～300 μJ的能量就可使其發(fā)火［6］。因此人體動作所產(chǎn)生的靜電是不容忽視的問題。

帶電人體的靜電造成的危害是嚴(yán)重的，但因其具有的瞬時性的特點(diǎn)，給工作人員排查問題造成了困難，不僅硬件人員很難查出，有時還會使軟件人員誤認(rèn)為是軟件故障，從而造成工作上的麻煩。

3 復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)中防止人體靜電的方法

帶有靜電的人體對復(fù)卷機(jī)的控制系統(tǒng)有安全威脅，因此需采取有效措施加以防范。

(1)做好復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的接地。接地可達(dá)到兩個目的:①當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)的信號供電電源或系統(tǒng)設(shè)備本身出現(xiàn)問題時，能有效地承受過載電流并可以迅速將過載電流導(dǎo)入大地。因此當(dāng)帶有靜電的人體通過系統(tǒng)放電時，接地便可有效保護(hù)控制系統(tǒng)免遭傷害。②接地能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供屏蔽層，消除電子噪聲干擾，并為整個控制系統(tǒng)提供公共信號參考點(diǎn)即參考零電位。圖1所示是一種復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的接地圖，可參考使用。

圖1 復(fù)卷機(jī)電控接地圖

(2)復(fù)卷機(jī)操作人員要正確使用各種防靜電防護(hù)用品 (如防靜電鞋、防靜電工作服、防靜電手套等)，不得穿戴合成纖維及絲綢物。

(3)復(fù)卷機(jī)操作人員在進(jìn)入控制室之前，應(yīng)先充分放電，方法是徒手觸摸接地金屬物。

(4)敏感的器件不能隨意包裝，備用的器件應(yīng)立即放到黑色的永久性的防靜電包裝袋內(nèi)，裝入包裝袋內(nèi)的器件不要晃動以減少摩擦生電。

(5)通過調(diào)整控制室內(nèi)的相對濕度來減少靜電的產(chǎn)生，以減少人體帶電的機(jī)會。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)所得的表2［7］數(shù)據(jù)證明，濕度高時產(chǎn)生靜電電壓較低，但是濕度越高對控制室的調(diào)速裝置和其他元器件不利，因此，要合理控制控制室中的濕度，使得既可防止靜電又可不影響復(fù)卷機(jī)工作。

(6)復(fù)卷機(jī)控制室要鋪設(shè)防靜電地板。

4 結(jié)論

靜電放電的產(chǎn)生是無法避免的，但靜電放電的危害卻是可以預(yù)防和控制的。復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的靜電防護(hù)尤其是防止人體的靜電放電是一個需要長期堅(jiān)持的系統(tǒng)工程，只要建立有效防護(hù)措施，做好人員培訓(xùn)、認(rèn)真執(zhí)行各項(xiàng)技術(shù)措施、管理到位，靜電危害就可以降低到最小甚至可以避免，使復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)安全可靠地工作。以上方法雖以復(fù)卷機(jī)為例進(jìn)行說明，但對于紙機(jī)控制系統(tǒng)也同樣適用。

表2 典型的相對濕度與人體活動帶靜電的關(guān)系

［1］ TIAN Zhi-hui．Electrostatic Hazards and the Electrostatic Protection of the Electronic Assembly Workshop［J］．Electronics Process Technology，2007，28(2):97．田智會．電裝車間的靜電危害及靜電防護(hù)［J］．電子工藝技術(shù)，2007，28(2):97．

［2］ Xu Yi-hen．The Introduction for the Protection Electrostatic for Control Room［J］Automation in Petro-chemical Industry，2008，44(6):1．徐義亨．淺析控制室的靜電防護(hù)［J］．石油化工自動化，2008，44(6):1．

［3］ Qin Zen-huang．Electrical engineering［M］Beijing:Higher Education Press，2009．秦曾煌．電工學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，2009．

［4］ MENG Yan-jing，XIAO Zhong-jun，GAO Cheng-yong，et al．The A-nalysis and Design of Electric Control System of Fully AC Rewinder［J］．China Pulp ＆ Paper，2005，24(9):42．孟彥京，肖中俊，高承雍，等．全交流復(fù)卷機(jī)電氣控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)［J］．中國造紙，2005，24(9):42．

［5］ LIU Cheng-wen，SONG Zhen-yu．Research and Application of Theory of Electrostatic Protection［J］．Electronics Process Technology，2002，23(5):222．劉成文，宋振宇．靜電防護(hù)系統(tǒng)理論的探討及其實(shí)際應(yīng)用［J］．電子工藝技術(shù)，2002，23(5):222．

［6］ ZHANG li．Introduction of the application of electrostatic protection in the design of chemical plant［J］．Keiji Zhifu Xiangdao，2012(16):356．張 利．淺談靜電防護(hù)在化工廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．科技致富向?qū)В?012(16):256．

［7］ CHENG Hui-xia．Electrostatic protection for electronic products［J］China Science and Technology Information，2013(10):131．陳輝霞．電子產(chǎn)品的靜電防護(hù)［J］．中國科技信息，2013(10):131． CPP