浅谈工业现场信号干扰及处理措施

暴振岭

摘 要 本文主要分析了工业现场的干扰信号的来源及传播途径，并对干扰类型进行了分类，针对不同特点的干扰形式，列出了所需要采用的相应抑制方法及措施，通过对屏蔽、接地、隔离、滤波、信号传递等抗干扰措施的分析及应用，为工业现场设备减少干扰提供了经验和参考。

关键词 干扰;电磁;接地;屏蔽;隔离

前言

电子电气技术已经应用到社会的各个角落，工业生产中的自动化控制及仪表检测系统更是与电子技术密不可分。然而，由于电子电气技术的广泛应用，使得电子电气设备越来越多，越来越复杂，致使电磁环境也越来越恶劣。在工业生产现场，空间中弥漫着的各种无用电磁信号会给设备带来莫名其妙的故障，而这些由于干扰引起的故障也让维护人员难以下手，处理起来甚是头疼。所以，在工业生产中，抗干扰工作具有重要的意义。

1干扰的产生与传播

在工业生产中，有许许多多的工艺参数，诸如：压力、流量、温度、重量、液位等等，它们的测量基本上由检测、信号放大及处理、显示及输出三部分组成。而检测到的信号在通过多次转换和处理的过程中，往往会掺杂进一些与测量信号无关的电压或电流。这种与测量信号无关的电压或电流信号，我们称之为“干扰”信号，或称“噪声”。

1.1 干扰的来源

产生干扰信号的干扰源一般可分为外部干扰和内部干扰两种。外部干扰来自系统的外部：①自然干扰：各种自然现象，如：闪电、射线、雷击、环境变化等均会产生自然干扰。②各种电气设备运行产生电磁干扰：如电网波动、大型用电设备的启停、变频器运行等。内部干扰来自系统的内部，主要是指测量电路内部电子元器件的噪声所引起的干扰。如：电感线圈、分布电容、多点接地造成的电位差等。

1.2 干扰的传播

（1）干扰的作用途径：干扰进入设备的途径分为两类：即传导和辐射。①传导干扰：干扰信号从导线及公共阻抗进入电路。②辐射干扰：干扰信号通过空间电磁波辐射传播。这两种干扰传播方式可能会互相转换，传导干扰可通过导线形成辐射干扰，而辐射干扰又可以通过导线转换成为传导干扰。

（2）电磁干扰的耦合方式种类：①静电耦合：干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。系统内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间，变压器线匝之间的绕组之间以及元件之间、元件与导线之间都存在着分布电容。具有一定频率的干扰信号通过这些分布电容提供的电抗通道穿行，会对系统形成干扰。②电磁耦合：电磁耦合是指在空间磁场中电路之间的互感耦合。因为任何载流导体都会在周围的空间产生磁场，而交变磁场又会在周围的闭合电路中产生感应电势，所以这种电磁耦合总是存在的，只是强弱程度不同而已。③公共阻抗耦合：公共阻抗耦合是指有多个电路的电流同时流经同一公共阻抗时所产生的相互影响。例如：系统中往往是多个电路共同使用一个电源，各电路的电流必然会流经电源内阻及线路电阻，成为各电路的公共阻抗。每个电路的电流都会在公共阻抗上造成压降，将成为其他电路的干扰信号。④漏电耦合：由于绝缘不良，流经绝缘电阻的漏电流所引起的干扰叫作漏电流耦合。漏电流耦合经常发生在仪表测量较高的直流电压时;在检测装置附近有较高的直流电压源时，在高输入阻抗的直流放大器中。⑤电磁辐射耦合：各种大功率的中高频发生装置，各种电火花以及电台、电视台、信号塔等产生的高频电磁波不断向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰。雷电和宇宙空间也会有电磁波干扰信号[1]。

2干扰的抑制技术及措施

在产品设计开发及应用时，除了对重要干扰源进行抑制外，更多的则是在产品内设法抑制外来干扰，以保证系统可靠工作。抑制干扰的技术措施主要包括：屏蔽、接地、隔离、滤波、浮置及平衡电路以及合理的信号传输方式等。

2.1 屏蔽

屏蔽技术是利用导电或者导磁材料制成的盒状或壳状的屏蔽体，将干扰源或保护对象包围起来，起到隔断或削弱电磁场的耦合通道的技术措施。屏蔽又可细分为：静电屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽、驱动屏蔽等。我们在电子板卡中常见的金属罩，电缆线路穿在金属管路中都属于屏蔽措施。

2.2 接地

在抗干扰技术措施中接地是与屏蔽紧密相关的，无论是电缆屏蔽还是屏蔽罩都必须有一个适当的接地点，才能有效地抑制干扰。常用的接地方案有：①一点接地：如果一个测量系统中分别设有信号地线，又有交流电气地线和安全保护地线时，则需要将三种地线连在一起，再通过一点接地，这就是一点接地。采用一点接地，可避免两点接地因地电位差造成严重干扰。②信号导线屏蔽层一点接地：信号导线必须屏蔽且屏蔽层接地，否则无法抑制串模干扰，而且屏蔽层也应一点接地。屏蔽层接地有两个原则：当有一个不接地的信号源与一个接地的放大器相连接时，信号导线屏蔽层应接放大器的公共端;当一个接地的信号源与不接地的放大器连接时，信号导线屏蔽层应接至信号源的公共端。③多点接地：多点接地所需地线较多，一般适用于低频信号。若电路工作频率较高，电感分量大，各地線间的互感耦合反而会增加干扰。

2.3 隔离措施

隔离是指把干扰源与接收系统隔离开来，使有用信号正常传输，而干扰耦合通道被切断，以达到抑制干扰的目的。常见的隔离方法有：加大物理距离、光电信号隔离、变压器隔离、继电器隔离和隔离放大器隔离等。

在工业现场最常见的隔离措施中，加大物理距离最容易实现，使干扰源与干扰对象尽可能远离，检测信号线路远离具有干扰特性的设备或线路，避免干扰信号窜入。弱信号线与强信号线以及电源线应尽量远离;直流信号线与交流信号线应远离;可能引起寄生耦合的线路，严禁平行走线，彼此应尽量远离;低电平信号地线、交流电源地线和金属机壳地线应分开设置，最后集中一点接地。

仪表检测模拟量信号，目前在工业生产中应用仍然较多，模拟量信号很容易受到干扰，除了信号线路采用屏蔽措施外，最常用的抗干扰措施就是在信号末端加装隔离器，剔除无用信号。长距离传输开关量信号时，也尽量采用继电隔离器，防止线路中累积干扰电压过大引起设备误动。

2.4 滤波技术

滤波技术用来抑制沿导线传输的传导干扰，主要用于电源和信号线干扰抑制，常用于抑制中低频干扰，抑制的频率一般在300MHz以下。滤波器一般由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择器件，可以接入到传输线路中，抑制不需要的频率传播。滤波的方法分为：①电源干扰抑制：采用电源滤波器抑制电源传输电磁干扰，它不仅可以阻止电网中的噪声进入设备，也可以抑制设备产生的噪声污染电网。采用吸收型滤波器抑制电源线中的快速瞬变脉冲串干扰。铁氧体是一种磁性材料，由铁、镍、锌氧化物混合而成，铁氧体一般做成中空形，导线穿过其中，当导线中的电流穿过铁氧体时，低频电流几乎可以无衰减通过，但高频电流会受到很大的损耗。②感性负载加吸收电路抑制瞬态噪声：系统中的感性负载在关断时会产生强烈的脉冲干扰，影响其他电路工作，必须在感性负载处加吸收电路抑制瞬态噪声，可以并联电阻、压敏电阻、稳压二极管等吸收回路，实际应用中，RC吸收回路应用较多，抑制效果也较好，一般在感性负载侧进行安装。③软件滤波：用软件来识别有用信号和干扰信号并过滤掉干扰信号的方法。可以利用PLC、DCS等编程软件或其他软件对可能出现的干扰信号进行预处理，达到出现干扰信号时按照制定的程序将干扰消除或忽略，达到系统工作正常的目的。

2.5 浮置及平衡电路

浮置又称浮地、浮空、浮接，它指的是测量系统的输入信号放大器公共线不接机壳或大地。对于被浮置的测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直接联系，可有效提高抗共模干扰能力。平衡电路也可以有效提高测量系统的抗共模干扰能力。平衡电路包括：负载平衡、信号源平衡和信号导线平衡。

2.6 合理的信号传输方式

在设计系统时选择抗干扰性强的信号传递技术，可大幅降低干扰的可能。①优先采用数字型与电流型信号：数字信号的抗干扰能力远远强于模拟信号;电流型信号在传输通路中不会出现在同一回路中各点电流大小不一致的问题，有很强的抗感应式干扰的能力。②采用光纤作为传输介质传递信号：以光波的形式传递信号，可以从根本上杜绝信号在传输过程中所受干扰。③使用绞线：绞线的绞扭节距把信号线分隔成许多小回路，如果双绞线的绞扭一致，那么这些小回路的面积相等而方向相反，因此其磁场干扰可以相互抵消[2]。

3结束语

工业现场环境恶劣，各种电、磁场分布复杂，给正常生产中的电气仪表自动化设备带来不可预料的干扰影响，抗干扰已成為电气自动化及仪表检测维护人员不可忽视的一项重要工作内容。只要综合考虑各方面的因素，掌握了干扰的特性，运用科学的手段，就可以合理有效地抑制干扰，使电气控制及检测系统可靠工作。

参考文献

[1] 徐义亨.工业控制工程中的抗干扰技术[M].上海：上海科学技术出版社，2010：1-18.

[2] 何世峰.工业现场系统信号的干扰及抗干扰措施[J].山东轻工业学院学报，2008，22（1）：46-49.