控制系统中的抗干扰技术

及旺华

摘 要：随着微电子技术的高速发展和电路集成化程度的提高，单位面积内大规模集成芯片元器件数越来越多，所传递的信号电流也越来越小，系统的供电电压也越来越低，控制系统抗干扰的能力也越来越低，所以提高控制系统的抗干扰能力成了人们急需解决的一个重要课题。

关键词：控制系统 微电子技术 抗干扰 屏蔽 接地 雷电防护

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（b）-0090-02

工业的高速发展对控制系统的依赖性越来越强。分散型控制系统（Distributed Control System）、可编程控制器（Program mable Logic Controller）、现场总线控制系统（Fidlebus Control System）以及各种测量控制仪表已是构成工业自动化的主要硬件设施。随着微电子技术的高速发展和电路集成化程度的提高，单位面积内大规模集成芯片元器件数越来越多，所传递的信号电流也越来越小，系统的供电电压也越来越低，现已降到5 V、3 V乃至1.8 V。因此，芯片对外界的干扰也越趋敏感，所以显示出来的抗干扰能力也就越来越低。

想要提高控制系统的抗干扰能力，我们除了在设计控制系统本体的时候提高其抗干扰能力之外更重要的是如何提高控制系统在工程应用时的抗干扰技术，例如对噪声的产生以及噪声在传播途径中加以有效的抑制等等。

1 电缆的静电屏蔽和电磁屏蔽

在控制系统中线缆非常重要因为它在控制系统中最长，容易通过近场的耦合干扰控制系统，并且它还像一根拾取和辐射噪声的天线。所以用屏蔽来抑制线缆的静电感应和电磁感应是抗干扰的方法之一。

1.1 电容性耦合的抑制

静电屏蔽：当受感应导线的外层包上屏蔽层以后那么感应的噪声电压便作用在屏蔽层上，我们在为屏蔽层提供一个良好的接地那么屏蔽层上的电压为零所以受感应导体上的噪声电压也为零，所以有效的抑制了电场的耦合。所以我们在工业现场无论是电源电缆或是信号电缆都应采用屏蔽电缆。

1.2 电感性耦合的抑制

电感性耦合即为线路间磁场的相互作用。在这里我们主要谈谈采用电磁屏蔽，包括双绞电缆和同轴电缆的使用。

（1）对作为噪声源的导线施行电磁屏蔽

如果我们对一段导线增加屏蔽那么电流流过后，全部通过导体的屏蔽体返回到干扰源。由于流过屏蔽体上的电流产生磁通量，且与导体产生的磁通量大小相等方向相反，这样在屏蔽体的外面，不存在磁通量，既这段导线被屏蔽了。但是在低频时不宜两端接地。

（2）对作为信号线路施行电磁屏蔽。

信号线路防外界磁场干扰的最好方法是减少接收环路的面积以减少干扰磁场对接收环路产生的磁通量密度。对于减少接收环路面积只有加屏蔽体两端接地才可以做到，才有电磁屏蔽作用，但是这种情况下电流的频率不宜太低。

（3）双绞线的电磁屏蔽原理及应用。

双绞线本身是一种电磁屏蔽形式。

对作为噪声源的导线实施电磁屏蔽。

图1是双绞线作为噪声源实施电磁屏蔽的原理图。当双绞线中有电流流过时在导线绞合所组成的很小的环路内产生相应的磁通。而在环路外由于两边导线流过的电流方向相反，产生的磁通方向相反从而大部分磁通被抵消。这种方式常用于供电线路上。

对信号线实施电磁屏蔽。

图2是双绞线信号线实施电磁屏蔽的原理图。当双绞线在噪声的磁通中每根导线均被感应出感应电流，其感应方向如图2所示。这样同一根导线在相邻两个环的两段上流过的感应电流大小相等方向相反，从而被抵消。所以在总的效果上，导线并没有产生感应电流。

（4）同轴电缆和屏蔽双绞线。

同轴电缆是一种用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的范围内，具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于高频乃之超高频的频段。无论是屏蔽双绞线，或者同轴电缆，为了抑制电容性耦合，一般是单端接地，通常是在控制室侧接地。

2 控制系统的接地

从电气角度来看，大地具有导电性且有无限大的容电量，所以我们可以把大地作为一个等电位点或者等电位面。接地的作用有两点：（1）保护人身和设备安全，如保护地、防雷地、防静电等。（2）抑制干扰，如工作地、屏蔽地、模拟地、数字地等。

下面我们来分析几个例子。

2.1 不屏蔽接地干线会带来干扰

现象：有DCS系统采用单独接地，但信号总是不稳定。

原因：经过现场考察发现，其接地干线长数十米，从楼顶沿外墙敷设到接地体，没有穿管屏蔽，过长的接地干线，如果没有屏蔽措施，接地干线也象是一根天线，可以接受大量的干扰信号，使控制系统无法稳定工作，乃至系统卡被烧毁。

结论：接地干线应愈短愈好，必要时也应该采取屏蔽措施

2.2 和其它接地系统要保持一定距离

现象：某DCS采用单独接地，发现信号干扰很大。

原因：DCS系统的单独接地体和原有的接地网相距不到5 m。

结论：若DCS采用单独接地，其接地体和电气接地网相距必须大于5 m，和防雷接地体相距必须大于20 m。

2.3 等电位接地也要考虑接地引入点的位置

现象：有DCS系统采用等电位接地，但信号中常常出现信号不规则的波形。

原因：离DCS的接地引入点不到几米处有大功率电动机的接地点。

结论：要保持和防雷地、大电流高电压设备的接地点有不小于10 m的距离。

3 控制系统的雷电防护

（1）雷电对控制系统侵害的途径：静电感应、电磁感应、反击、电磁场辐射等。

（2）雷电电脉冲的基本防护措施：endprint

①屏蔽：屏蔽分为电缆的屏蔽和控制室的屏蔽。第一，电缆的屏蔽：许多行业规范对屏蔽电缆的接地，原则上是一端接地另一端不接地。但是单端接地只能防静电感应抑制不了电磁感应所产生的干扰。所以延伸出了信号传输线的双层屏蔽，电缆采用双层屏蔽，两个屏蔽层的层与层之间是绝缘的，内层单端接地，抑制电容性耦合；外层两端或多端接地，抑制电感性耦合。双层屏蔽电缆的外屏蔽层可采用下述方法实现：铠装电缆的铠装层；敷设电缆的金属线槽、金属管等；钢筋混凝土结构的电缆沟。第二，控制室的屏蔽：控制室的屏蔽方式大体有建筑物的自身屏蔽、金属网格的格栅型大空间屏蔽以及金属板材围成的壳体屏蔽等。壳体屏蔽的屏蔽效果最好，但投资也很大，适用于实验室装置。建筑物自身对屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格栅型大空间的屏蔽可以通过选择网格宽度的大小来满足控制系统的需要，平衡投资的大小和效果的好坏，格栅型大空间的屏蔽最为理想。②合理布线：A减少感应环路面积以减小互感，从而抑制干扰的电感性耦合。B和引下线保持一定距离。③浪涌保护器：浪涌保护器是一种限制瞬态过电压和分流浪涌电流的器件。其基本原理是，它并接在被保护设备的附近，在没有浪涌出现时为高阻抗，当出现浪涌时就在很短的时间内（ns级）将雷电流释放到地使浪涌保护器变为低阻抗，从而保护了被保护设备。④接地和等电位连接：防雷工程的接地系统用于雷电流的释放；抑制雷电电磁脉冲的电磁感应和静电感应；将分开的仪表装置通过等电位连接，以减少控制系统的设备在金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。

4 控制室的静电防护

静电在工程中的应用：静电除尘、静电喷涂、静电净化、静电复印等。

4.1 静电放电的特点

（1）由于静电放电的时间是ns级的峰值电流可达数十安培，所以说瞬间的功率十分巨大。（2）由于电流波形的上升时间很短，即di/dt很大，所以可以感应出几百伏乃至上千伏的高电位，从而产生出强电场。由于电流脉冲上升时间极快，持续时间极短，所以产生的静电放电电磁脉冲其能量足以使电子部件中敏感元件损坏。

4.2 控制室静电防护的基本措施

防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏，控制室的设计即静电防护工作区的建立应采取的基本方法，一般有：

（1）抑制干扰源，减小或消除源头上的静电积累。防止静电的产生是最彻底的方法，从产生静电的原理看，应该从降低有关物体的绝缘度着手，使两物体即使摩擦也不产生或少产生静电。（2）铺设具有一定电阻率的防静电地面，它不仅可以导出人体静电，也为活动的设备提供了静电接地的条件。（3）操作人员宜穿防静电制服。防静电制服通常是由导电纤维或经抗静电改性的织物制成。用于防止人体静电的积累。（4）操作人员穿防静电鞋也是一种可行的措施。因为人是导体，在人体静电防护中最主要的措施是保证人体始终静电接地。（5）控制柜以及电缆的屏蔽层都必须保持良好的接地。（6）设置温、湿度控制。

上述诸措施中，控制控制室的温度和湿度和防静电地面的设置和接地必须在控制室的设计阶段提前考虑。

参考文献

[1] 林国荣.电磁干扰及控制[M].电子工业出版社.

[2] 刘兴顺.建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[M].中国建筑工业出版社.

[3] 刘尚合，武占成.静电放电及危害防护[M].北京邮电大学出版社.endprint

①屏蔽：屏蔽分为电缆的屏蔽和控制室的屏蔽。第一，电缆的屏蔽：许多行业规范对屏蔽电缆的接地，原则上是一端接地另一端不接地。但是单端接地只能防静电感应抑制不了电磁感应所产生的干扰。所以延伸出了信号传输线的双层屏蔽，电缆采用双层屏蔽，两个屏蔽层的层与层之间是绝缘的，内层单端接地，抑制电容性耦合；外层两端或多端接地，抑制电感性耦合。双层屏蔽电缆的外屏蔽层可采用下述方法实现：铠装电缆的铠装层；敷设电缆的金属线槽、金属管等；钢筋混凝土结构的电缆沟。第二，控制室的屏蔽：控制室的屏蔽方式大体有建筑物的自身屏蔽、金属网格的格栅型大空间屏蔽以及金属板材围成的壳体屏蔽等。壳体屏蔽的屏蔽效果最好，但投资也很大，适用于实验室装置。建筑物自身对屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格栅型大空间的屏蔽可以通过选择网格宽度的大小来满足控制系统的需要，平衡投资的大小和效果的好坏，格栅型大空间的屏蔽最为理想。②合理布线：A减少感应环路面积以减小互感，从而抑制干扰的电感性耦合。B和引下线保持一定距离。③浪涌保护器：浪涌保护器是一种限制瞬态过电压和分流浪涌电流的器件。其基本原理是，它并接在被保护设备的附近，在没有浪涌出现时为高阻抗，当出现浪涌时就在很短的时间内（ns级）将雷电流释放到地使浪涌保护器变为低阻抗，从而保护了被保护设备。④接地和等电位连接：防雷工程的接地系统用于雷电流的释放；抑制雷电电磁脉冲的电磁感应和静电感应；将分开的仪表装置通过等电位连接，以减少控制系统的设备在金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。

4 控制室的静电防护

静电在工程中的应用：静电除尘、静电喷涂、静电净化、静电复印等。

4.1 静电放电的特点

（1）由于静电放电的时间是ns级的峰值电流可达数十安培，所以说瞬间的功率十分巨大。（2）由于电流波形的上升时间很短，即di/dt很大，所以可以感应出几百伏乃至上千伏的高电位，从而产生出强电场。由于电流脉冲上升时间极快，持续时间极短，所以产生的静电放电电磁脉冲其能量足以使电子部件中敏感元件损坏。

4.2 控制室静电防护的基本措施

防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏，控制室的设计即静电防护工作区的建立应采取的基本方法，一般有：

（1）抑制干扰源，减小或消除源头上的静电积累。防止静电的产生是最彻底的方法，从产生静电的原理看，应该从降低有关物体的绝缘度着手，使两物体即使摩擦也不产生或少产生静电。（2）铺设具有一定电阻率的防静电地面，它不仅可以导出人体静电，也为活动的设备提供了静电接地的条件。（3）操作人员宜穿防静电制服。防静电制服通常是由导电纤维或经抗静电改性的织物制成。用于防止人体静电的积累。（4）操作人员穿防静电鞋也是一种可行的措施。因为人是导体，在人体静电防护中最主要的措施是保证人体始终静电接地。（5）控制柜以及电缆的屏蔽层都必须保持良好的接地。（6）设置温、湿度控制。

上述诸措施中，控制控制室的温度和湿度和防静电地面的设置和接地必须在控制室的设计阶段提前考虑。

参考文献

[1] 林国荣.电磁干扰及控制[M].电子工业出版社.

[2] 刘兴顺.建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[M].中国建筑工业出版社.

[3] 刘尚合，武占成.静电放电及危害防护[M].北京邮电大学出版社.endprint

①屏蔽：屏蔽分为电缆的屏蔽和控制室的屏蔽。第一，电缆的屏蔽：许多行业规范对屏蔽电缆的接地，原则上是一端接地另一端不接地。但是单端接地只能防静电感应抑制不了电磁感应所产生的干扰。所以延伸出了信号传输线的双层屏蔽，电缆采用双层屏蔽，两个屏蔽层的层与层之间是绝缘的，内层单端接地，抑制电容性耦合；外层两端或多端接地，抑制电感性耦合。双层屏蔽电缆的外屏蔽层可采用下述方法实现：铠装电缆的铠装层；敷设电缆的金属线槽、金属管等；钢筋混凝土结构的电缆沟。第二，控制室的屏蔽：控制室的屏蔽方式大体有建筑物的自身屏蔽、金属网格的格栅型大空间屏蔽以及金属板材围成的壳体屏蔽等。壳体屏蔽的屏蔽效果最好，但投资也很大，适用于实验室装置。建筑物自身对屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格栅型大空间的屏蔽可以通过选择网格宽度的大小来满足控制系统的需要，平衡投资的大小和效果的好坏，格栅型大空间的屏蔽最为理想。②合理布线：A减少感应环路面积以减小互感，从而抑制干扰的电感性耦合。B和引下线保持一定距离。③浪涌保护器：浪涌保护器是一种限制瞬态过电压和分流浪涌电流的器件。其基本原理是，它并接在被保护设备的附近，在没有浪涌出现时为高阻抗，当出现浪涌时就在很短的时间内（ns级）将雷电流释放到地使浪涌保护器变为低阻抗，从而保护了被保护设备。④接地和等电位连接：防雷工程的接地系统用于雷电流的释放；抑制雷电电磁脉冲的电磁感应和静电感应；将分开的仪表装置通过等电位连接，以减少控制系统的设备在金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。

4 控制室的静电防护

静电在工程中的应用：静电除尘、静电喷涂、静电净化、静电复印等。

4.1 静电放电的特点

（1）由于静电放电的时间是ns级的峰值电流可达数十安培，所以说瞬间的功率十分巨大。（2）由于电流波形的上升时间很短，即di/dt很大，所以可以感应出几百伏乃至上千伏的高电位，从而产生出强电场。由于电流脉冲上升时间极快，持续时间极短，所以产生的静电放电电磁脉冲其能量足以使电子部件中敏感元件损坏。

4.2 控制室静电防护的基本措施

防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏，控制室的设计即静电防护工作区的建立应采取的基本方法，一般有：

（1）抑制干扰源，减小或消除源头上的静电积累。防止静电的产生是最彻底的方法，从产生静电的原理看，应该从降低有关物体的绝缘度着手，使两物体即使摩擦也不产生或少产生静电。（2）铺设具有一定电阻率的防静电地面，它不仅可以导出人体静电，也为活动的设备提供了静电接地的条件。（3）操作人员宜穿防静电制服。防静电制服通常是由导电纤维或经抗静电改性的织物制成。用于防止人体静电的积累。（4）操作人员穿防静电鞋也是一种可行的措施。因为人是导体，在人体静电防护中最主要的措施是保证人体始终静电接地。（5）控制柜以及电缆的屏蔽层都必须保持良好的接地。（6）设置温、湿度控制。

上述诸措施中，控制控制室的温度和湿度和防静电地面的设置和接地必须在控制室的设计阶段提前考虑。

参考文献

[1] 林国荣.电磁干扰及控制[M].电子工业出版社.

[2] 刘兴顺.建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[M].中国建筑工业出版社.

[3] 刘尚合，武占成.静电放电及危害防护[M].北京邮电大学出版社.endprint