控制系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)

及旺華

摘 要：隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展和電路集成化程度的提高，單位面積內(nèi)大規(guī)模集成芯片元器件數(shù)越來越多，所傳遞的信號電流也越來越小，系統(tǒng)的供電電壓也越來越低，控制系統(tǒng)抗干擾的能力也越來越低，所以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力成了人們急需解決的一個重要課題。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng) 微電子技術(shù) 抗干擾 屏蔽 接地 雷電防護(hù)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0090-02

工業(yè)的高速發(fā)展對控制系統(tǒng)的依賴性越來越強(qiáng)。分散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System）、可編程控制器（Program mable Logic Controller）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fidlebus Control System）以及各種測量控制儀表已是構(gòu)成工業(yè)自動化的主要硬件設(shè)施。隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展和電路集成化程度的提高，單位面積內(nèi)大規(guī)模集成芯片元器件數(shù)越來越多，所傳遞的信號電流也越來越小，系統(tǒng)的供電電壓也越來越低，現(xiàn)已降到5 V、3 V乃至1.8 V。因此，芯片對外界的干擾也越趨敏感，所以顯示出來的抗干擾能力也就越來越低。

想要提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，我們除了在設(shè)計控制系統(tǒng)本體的時候提高其抗干擾能力之外更重要的是如何提高控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用時的抗干擾技術(shù)，例如對噪聲的產(chǎn)生以及噪聲在傳播途徑中加以有效的抑制等等。

1 電纜的靜電屏蔽和電磁屏蔽

在控制系統(tǒng)中線纜非常重要因為它在控制系統(tǒng)中最長，容易通過近場的耦合干擾控制系統(tǒng)，并且它還像一根拾取和輻射噪聲的天線。所以用屏蔽來抑制線纜的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)是抗干擾的方法之一。

1.1 電容性耦合的抑制

靜電屏蔽：當(dāng)受感應(yīng)導(dǎo)線的外層包上屏蔽層以后那么感應(yīng)的噪聲電壓便作用在屏蔽層上，我們在為屏蔽層提供一個良好的接地那么屏蔽層上的電壓為零所以受感應(yīng)導(dǎo)體上的噪聲電壓也為零，所以有效的抑制了電場的耦合。所以我們在工業(yè)現(xiàn)場無論是電源電纜或是信號電纜都應(yīng)采用屏蔽電纜。

1.2 電感性耦合的抑制

電感性耦合即為線路間磁場的相互作用。在這里我們主要談?wù)劜捎秒姶牌帘危p絞電纜和同軸電纜的使用。

（1）對作為噪聲源的導(dǎo)線施行電磁屏蔽

如果我們對一段導(dǎo)線增加屏蔽那么電流流過后，全部通過導(dǎo)體的屏蔽體返回到干擾源。由于流過屏蔽體上的電流產(chǎn)生磁通量，且與導(dǎo)體產(chǎn)生的磁通量大小相等方向相反，這樣在屏蔽體的外面，不存在磁通量，既這段導(dǎo)線被屏蔽了。但是在低頻時不宜兩端接地。

（2）對作為信號線路施行電磁屏蔽。

信號線路防外界磁場干擾的最好方法是減少接收環(huán)路的面積以減少干擾磁場對接收環(huán)路產(chǎn)生的磁通量密度。對于減少接收環(huán)路面積只有加屏蔽體兩端接地才可以做到，才有電磁屏蔽作用，但是這種情況下電流的頻率不宜太低。

（3）雙絞線的電磁屏蔽原理及應(yīng)用。

雙絞線本身是一種電磁屏蔽形式。

對作為噪聲源的導(dǎo)線實(shí)施電磁屏蔽。

圖1是雙絞線作為噪聲源實(shí)施電磁屏蔽的原理圖。當(dāng)雙絞線中有電流流過時在導(dǎo)線絞合所組成的很小的環(huán)路內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的磁通。而在環(huán)路外由于兩邊導(dǎo)線流過的電流方向相反，產(chǎn)生的磁通方向相反從而大部分磁通被抵消。這種方式常用于供電線路上。

對信號線實(shí)施電磁屏蔽。

圖2是雙絞線信號線實(shí)施電磁屏蔽的原理圖。當(dāng)雙絞線在噪聲的磁通中每根導(dǎo)線均被感應(yīng)出感應(yīng)電流，其感應(yīng)方向如圖2所示。這樣同一根導(dǎo)線在相鄰兩個環(huán)的兩段上流過的感應(yīng)電流大小相等方向相反，從而被抵消。所以在總的效果上，導(dǎo)線并沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流。

（4）同軸電纜和屏蔽雙絞線。

同軸電纜是一種用金屬編織網(wǎng)作屏蔽的電纜，在很大的范圍內(nèi)，具有均勻不變的低損耗的特性阻抗，可用于高頻乃之超高頻的頻段。無論是屏蔽雙絞線，或者同軸電纜，為了抑制電容性耦合，一般是單端接地，通常是在控制室側(cè)接地。

2 控制系統(tǒng)的接地

從電氣角度來看，大地具有導(dǎo)電性且有無限大的容電量，所以我們可以把大地作為一個等電位點(diǎn)或者等電位面。接地的作用有兩點(diǎn)：（1）保護(hù)人身和設(shè)備安全，如保護(hù)地、防雷地、防靜電等。（2）抑制干擾，如工作地、屏蔽地、模擬地、數(shù)字地等。

下面我們來分析幾個例子。

2.1 不屏蔽接地干線會帶來干擾

現(xiàn)象：有DCS系統(tǒng)采用單獨(dú)接地，但信號總是不穩(wěn)定。

原因：經(jīng)過現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，其接地干線長數(shù)十米，從樓頂沿外墻敷設(shè)到接地體，沒有穿管屏蔽，過長的接地干線，如果沒有屏蔽措施，接地干線也象是一根天線，可以接受大量的干擾信號，使控制系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作，乃至系統(tǒng)卡被燒毀。

結(jié)論：接地干線應(yīng)愈短愈好，必要時也應(yīng)該采取屏蔽措施

2.2 和其它接地系統(tǒng)要保持一定距離

現(xiàn)象：某DCS采用單獨(dú)接地，發(fā)現(xiàn)信號干擾很大。

原因：DCS系統(tǒng)的單獨(dú)接地體和原有的接地網(wǎng)相距不到5 m。

結(jié)論：若DCS采用單獨(dú)接地，其接地體和電氣接地網(wǎng)相距必須大于5 m，和防雷接地體相距必須大于20 m。

2.3 等電位接地也要考慮接地引入點(diǎn)的位置

現(xiàn)象：有DCS系統(tǒng)采用等電位接地，但信號中常常出現(xiàn)信號不規(guī)則的波形。

原因：離DCS的接地引入點(diǎn)不到幾米處有大功率電動機(jī)的接地點(diǎn)。

結(jié)論：要保持和防雷地、大電流高電壓設(shè)備的接地點(diǎn)有不小于10 m的距離。

3 控制系統(tǒng)的雷電防護(hù)

（1）雷電對控制系統(tǒng)侵害的途徑：靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、反擊、電磁場輻射等。

（2）雷電電脈沖的基本防護(hù)措施：endprint

①屏蔽：屏蔽分為電纜的屏蔽和控制室的屏蔽。第一，電纜的屏蔽：許多行業(yè)規(guī)范對屏蔽電纜的接地，原則上是一端接地另一端不接地。但是單端接地只能防靜電感應(yīng)抑制不了電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的干擾。所以延伸出了信號傳輸線的雙層屏蔽，電纜采用雙層屏蔽，兩個屏蔽層的層與層之間是絕緣的，內(nèi)層單端接地，抑制電容性耦合；外層兩端或多端接地，抑制電感性耦合。雙層屏蔽電纜的外屏蔽層可采用下述方法實(shí)現(xiàn)：鎧裝電纜的鎧裝層；敷設(shè)電纜的金屬線槽、金屬管等；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電纜溝。第二，控制室的屏蔽：控制室的屏蔽方式大體有建筑物的自身屏蔽、金屬網(wǎng)格的格柵型大空間屏蔽以及金屬板材圍成的殼體屏蔽等。殼體屏蔽的屏蔽效果最好，但投資也很大，適用于實(shí)驗室裝置。建筑物自身對屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格柵型大空間的屏蔽可以通過選擇網(wǎng)格寬度的大小來滿足控制系統(tǒng)的需要，平衡投資的大小和效果的好壞，格柵型大空間的屏蔽最為理想。②合理布線：A減少感應(yīng)環(huán)路面積以減小互感，從而抑制干擾的電感性耦合。B和引下線保持一定距離。③浪涌保護(hù)器：浪涌保護(hù)器是一種限制瞬態(tài)過電壓和分流浪涌電流的器件。其基本原理是，它并接在被保護(hù)設(shè)備的附近，在沒有浪涌出現(xiàn)時為高阻抗，當(dāng)出現(xiàn)浪涌時就在很短的時間內(nèi)（ns級）將雷電流釋放到地使浪涌保護(hù)器變?yōu)榈妥杩?，從而保護(hù)了被保護(hù)設(shè)備。④接地和等電位連接：防雷工程的接地系統(tǒng)用于雷電流的釋放；抑制雷電電磁脈沖的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)；將分開的儀表裝置通過等電位連接，以減少控制系統(tǒng)的設(shè)備在金屬構(gòu)件與設(shè)備之間或設(shè)備與設(shè)備之間因雷擊產(chǎn)生的電位差。

4 控制室的靜電防護(hù)

靜電在工程中的應(yīng)用：靜電除塵、靜電噴涂、靜電凈化、靜電復(fù)印等。

4.1 靜電放電的特點(diǎn)

（1）由于靜電放電的時間是ns級的峰值電流可達(dá)數(shù)十安培，所以說瞬間的功率十分巨大。（2）由于電流波形的上升時間很短，即di/dt很大，所以可以感應(yīng)出幾百伏乃至上千伏的高電位，從而產(chǎn)生出強(qiáng)電場。由于電流脈沖上升時間極快，持續(xù)時間極短，所以產(chǎn)生的靜電放電電磁脈沖其能量足以使電子部件中敏感元件損壞。

4.2 控制室靜電防護(hù)的基本措施

防止控制系統(tǒng)和電路不受靜電放電的干擾和破壞，控制室的設(shè)計即靜電防護(hù)工作區(qū)的建立應(yīng)采取的基本方法，一般有：

（1）抑制干擾源，減小或消除源頭上的靜電積累。防止靜電的產(chǎn)生是最徹底的方法，從產(chǎn)生靜電的原理看，應(yīng)該從降低有關(guān)物體的絕緣度著手，使兩物體即使摩擦也不產(chǎn)生或少產(chǎn)生靜電。（2）鋪設(shè)具有一定電阻率的防靜電地面，它不僅可以導(dǎo)出人體靜電，也為活動的設(shè)備提供了靜電接地的條件。（3）操作人員宜穿防靜電制服。防靜電制服通常是由導(dǎo)電纖維或經(jīng)抗靜電改性的織物制成。用于防止人體靜電的積累。（4）操作人員穿防靜電鞋也是一種可行的措施。因為人是導(dǎo)體，在人體靜電防護(hù)中最主要的措施是保證人體始終靜電接地。（5）控制柜以及電纜的屏蔽層都必須保持良好的接地。（6）設(shè)置溫、濕度控制。

上述諸措施中，控制控制室的溫度和濕度和防靜電地面的設(shè)置和接地必須在控制室的設(shè)計階段提前考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 林國榮.電磁干擾及控制[M].電子工業(yè)出版社.

[2] 劉興順.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)設(shè)計手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社.

[3] 劉尚合，武占成.靜電放電及危害防護(hù)[M].北京郵電大學(xué)出版社.endprint

①屏蔽：屏蔽分為電纜的屏蔽和控制室的屏蔽。第一，電纜的屏蔽：許多行業(yè)規(guī)范對屏蔽電纜的接地，原則上是一端接地另一端不接地。但是單端接地只能防靜電感應(yīng)抑制不了電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的干擾。所以延伸出了信號傳輸線的雙層屏蔽，電纜采用雙層屏蔽，兩個屏蔽層的層與層之間是絕緣的，內(nèi)層單端接地，抑制電容性耦合；外層兩端或多端接地，抑制電感性耦合。雙層屏蔽電纜的外屏蔽層可采用下述方法實(shí)現(xiàn)：鎧裝電纜的鎧裝層；敷設(shè)電纜的金屬線槽、金屬管等；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電纜溝。第二，控制室的屏蔽：控制室的屏蔽方式大體有建筑物的自身屏蔽、金屬網(wǎng)格的格柵型大空間屏蔽以及金屬板材圍成的殼體屏蔽等。殼體屏蔽的屏蔽效果最好，但投資也很大，適用于實(shí)驗室裝置。建筑物自身對屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格柵型大空間的屏蔽可以通過選擇網(wǎng)格寬度的大小來滿足控制系統(tǒng)的需要，平衡投資的大小和效果的好壞，格柵型大空間的屏蔽最為理想。②合理布線：A減少感應(yīng)環(huán)路面積以減小互感，從而抑制干擾的電感性耦合。B和引下線保持一定距離。③浪涌保護(hù)器：浪涌保護(hù)器是一種限制瞬態(tài)過電壓和分流浪涌電流的器件。其基本原理是，它并接在被保護(hù)設(shè)備的附近，在沒有浪涌出現(xiàn)時為高阻抗，當(dāng)出現(xiàn)浪涌時就在很短的時間內(nèi)（ns級）將雷電流釋放到地使浪涌保護(hù)器變?yōu)榈妥杩?，從而保護(hù)了被保護(hù)設(shè)備。④接地和等電位連接：防雷工程的接地系統(tǒng)用于雷電流的釋放；抑制雷電電磁脈沖的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)；將分開的儀表裝置通過等電位連接，以減少控制系統(tǒng)的設(shè)備在金屬構(gòu)件與設(shè)備之間或設(shè)備與設(shè)備之間因雷擊產(chǎn)生的電位差。

4 控制室的靜電防護(hù)

靜電在工程中的應(yīng)用：靜電除塵、靜電噴涂、靜電凈化、靜電復(fù)印等。

4.1 靜電放電的特點(diǎn)

（1）由于靜電放電的時間是ns級的峰值電流可達(dá)數(shù)十安培，所以說瞬間的功率十分巨大。（2）由于電流波形的上升時間很短，即di/dt很大，所以可以感應(yīng)出幾百伏乃至上千伏的高電位，從而產(chǎn)生出強(qiáng)電場。由于電流脈沖上升時間極快，持續(xù)時間極短，所以產(chǎn)生的靜電放電電磁脈沖其能量足以使電子部件中敏感元件損壞。

4.2 控制室靜電防護(hù)的基本措施

防止控制系統(tǒng)和電路不受靜電放電的干擾和破壞，控制室的設(shè)計即靜電防護(hù)工作區(qū)的建立應(yīng)采取的基本方法，一般有：

（1）抑制干擾源，減小或消除源頭上的靜電積累。防止靜電的產(chǎn)生是最徹底的方法，從產(chǎn)生靜電的原理看，應(yīng)該從降低有關(guān)物體的絕緣度著手，使兩物體即使摩擦也不產(chǎn)生或少產(chǎn)生靜電。（2）鋪設(shè)具有一定電阻率的防靜電地面，它不僅可以導(dǎo)出人體靜電，也為活動的設(shè)備提供了靜電接地的條件。（3）操作人員宜穿防靜電制服。防靜電制服通常是由導(dǎo)電纖維或經(jīng)抗靜電改性的織物制成。用于防止人體靜電的積累。（4）操作人員穿防靜電鞋也是一種可行的措施。因為人是導(dǎo)體，在人體靜電防護(hù)中最主要的措施是保證人體始終靜電接地。（5）控制柜以及電纜的屏蔽層都必須保持良好的接地。（6）設(shè)置溫、濕度控制。

上述諸措施中，控制控制室的溫度和濕度和防靜電地面的設(shè)置和接地必須在控制室的設(shè)計階段提前考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 林國榮.電磁干擾及控制[M].電子工業(yè)出版社.

[2] 劉興順.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)設(shè)計手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社.

[3] 劉尚合，武占成.靜電放電及危害防護(hù)[M].北京郵電大學(xué)出版社.endprint

①屏蔽：屏蔽分為電纜的屏蔽和控制室的屏蔽。第一，電纜的屏蔽：許多行業(yè)規(guī)范對屏蔽電纜的接地，原則上是一端接地另一端不接地。但是單端接地只能防靜電感應(yīng)抑制不了電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的干擾。所以延伸出了信號傳輸線的雙層屏蔽，電纜采用雙層屏蔽，兩個屏蔽層的層與層之間是絕緣的，內(nèi)層單端接地，抑制電容性耦合；外層兩端或多端接地，抑制電感性耦合。雙層屏蔽電纜的外屏蔽層可采用下述方法實(shí)現(xiàn)：鎧裝電纜的鎧裝層；敷設(shè)電纜的金屬線槽、金屬管等；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電纜溝。第二，控制室的屏蔽：控制室的屏蔽方式大體有建筑物的自身屏蔽、金屬網(wǎng)格的格柵型大空間屏蔽以及金屬板材圍成的殼體屏蔽等。殼體屏蔽的屏蔽效果最好，但投資也很大，適用于實(shí)驗室裝置。建筑物自身對屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格柵型大空間的屏蔽可以通過選擇網(wǎng)格寬度的大小來滿足控制系統(tǒng)的需要，平衡投資的大小和效果的好壞，格柵型大空間的屏蔽最為理想。②合理布線：A減少感應(yīng)環(huán)路面積以減小互感，從而抑制干擾的電感性耦合。B和引下線保持一定距離。③浪涌保護(hù)器：浪涌保護(hù)器是一種限制瞬態(tài)過電壓和分流浪涌電流的器件。其基本原理是，它并接在被保護(hù)設(shè)備的附近，在沒有浪涌出現(xiàn)時為高阻抗，當(dāng)出現(xiàn)浪涌時就在很短的時間內(nèi)（ns級）將雷電流釋放到地使浪涌保護(hù)器變?yōu)榈妥杩?，從而保護(hù)了被保護(hù)設(shè)備。④接地和等電位連接：防雷工程的接地系統(tǒng)用于雷電流的釋放；抑制雷電電磁脈沖的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)；將分開的儀表裝置通過等電位連接，以減少控制系統(tǒng)的設(shè)備在金屬構(gòu)件與設(shè)備之間或設(shè)備與設(shè)備之間因雷擊產(chǎn)生的電位差。

4 控制室的靜電防護(hù)

靜電在工程中的應(yīng)用：靜電除塵、靜電噴涂、靜電凈化、靜電復(fù)印等。

4.1 靜電放電的特點(diǎn)

（1）由于靜電放電的時間是ns級的峰值電流可達(dá)數(shù)十安培，所以說瞬間的功率十分巨大。（2）由于電流波形的上升時間很短，即di/dt很大，所以可以感應(yīng)出幾百伏乃至上千伏的高電位，從而產(chǎn)生出強(qiáng)電場。由于電流脈沖上升時間極快，持續(xù)時間極短，所以產(chǎn)生的靜電放電電磁脈沖其能量足以使電子部件中敏感元件損壞。

4.2 控制室靜電防護(hù)的基本措施

防止控制系統(tǒng)和電路不受靜電放電的干擾和破壞，控制室的設(shè)計即靜電防護(hù)工作區(qū)的建立應(yīng)采取的基本方法，一般有：

（1）抑制干擾源，減小或消除源頭上的靜電積累。防止靜電的產(chǎn)生是最徹底的方法，從產(chǎn)生靜電的原理看，應(yīng)該從降低有關(guān)物體的絕緣度著手，使兩物體即使摩擦也不產(chǎn)生或少產(chǎn)生靜電。（2）鋪設(shè)具有一定電阻率的防靜電地面，它不僅可以導(dǎo)出人體靜電，也為活動的設(shè)備提供了靜電接地的條件。（3）操作人員宜穿防靜電制服。防靜電制服通常是由導(dǎo)電纖維或經(jīng)抗靜電改性的織物制成。用于防止人體靜電的積累。（4）操作人員穿防靜電鞋也是一種可行的措施。因為人是導(dǎo)體，在人體靜電防護(hù)中最主要的措施是保證人體始終靜電接地。（5）控制柜以及電纜的屏蔽層都必須保持良好的接地。（6）設(shè)置溫、濕度控制。

上述諸措施中，控制控制室的溫度和濕度和防靜電地面的設(shè)置和接地必須在控制室的設(shè)計階段提前考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 林國榮.電磁干擾及控制[M].電子工業(yè)出版社.

[2] 劉興順.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)設(shè)計手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社.

[3] 劉尚合，武占成.靜電放電及危害防護(hù)[M].北京郵電大學(xué)出版社.endprint