控制工程中的抗干扰技术

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1、控制工程中的抗干扰技术 徐义亨 杨继华 杨晶徐义亨 杨继华 杨晶 徐义亨徐义亨先生，浙江中控技术有限公司高级技术顾问；杨继华先生，助理工程师；杨晶女士，助理工程 师。 关键词：关键词：控制系统 耦合 抗干扰 欲提高控制系统的抗干扰能力，除了在设计控制系统本体的电子线路、结构以及软件时应考虑各 项抗干扰措施外，更重要的是如何提高控制系统在工程应用中的抗干扰技术，因为我们还无法做到将 控制系统的抗干扰性能完全由控制系统本体去承担。 控制系统在工程中的应用必将遇到各种各样的噪声，噪声又会通过各种耦合途径干扰控制系统的 正常运行。如何对噪声的产生以及噪声在传播途径中的影响予以有效的抑制，便是控制系统在

2、工程应 用中抗干扰技术的全部内容。 一一 构成噪声问题的三要素构成噪声问题的三要素 有用信号以外的所有电子信号总称为噪声。当噪声电压足够大时，足以在接收中造成骚扰使一个电 路或系统产生误操作，这就是干扰。 典型的噪声路径如图 1 所示。噪声问题，包括噪 声源、噪声的传播途径和感受体三个要素，在处理控 制系统的抗干扰问题时首先要定义如下 3 个问题： (1)产生噪声的源头是什么？ (2)哪些是对噪声敏感的感受体？ (3)将噪声从源头传送到感受体的耦合途径是什么？ 回答了这 3 个问题后，我们就可以着手解决所遇到的噪声问题。一般而言，将客观存在的噪声源 的强度在发生处进行抑制，是最有效方法。但并非

3、所有的噪声源都可以抑制的，如雷击、无线电天线 发射等。如欲提高感受体对干扰的抗扰度，则取决于控制系统本体的电磁兼容性(EMC)。减小或拦截通过耦合路径传输的噪声大小，即减少传播路径上噪声的传输量，这便是控制系统在工程应用中所应采 取的措施。 从物理概念上说，噪声的传播途经大致有以下 5 种： (1)导线直接传导耦合。指噪声通过信号线和交、直流电源线以及通信线等，将信号源或电源里夹 带的噪声直接传导给系统。 (2)公共阻抗耦合。指噪声源电路和受干扰电路之间存在着一个公共阻抗，噪声电流通过这个公共 阻抗所产生的噪声电压，传导给受干扰电路。 (3)电容性耦合。又称静电耦合或静电感应。产生这种的主要原

4、因是电路间存在着分布电容。 (4)电感性耦合。又称电磁耦合或电磁感应。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着互感。 (5)电磁场辐射。又称为辐射耦合或远场辐射，是电场和磁场相结合的耦合，并通过能量辐射对电 路产生干扰。 前 4 种耦合统称为传导性耦合。其中电容性耦合和电感性耦合又称为近场辐射。 严格地说，有关噪声问题的求解，需要通过麦克斯韦方程组才能得到，但十分复杂。在工程中， 还是采用“电路”理论按集中参数来近似地求解。所以我们采取了如下假设： (1)用一个连接在两导体间的电容来表示两导体间存在的一个随时间变化的电场； (2)用一个连接在两导体间的互感来表示两导体间互相耦合的一个随时间变化的磁

5、场。 二二 控制系统在工程应用中最常见的电磁干扰的分类控制系统在工程应用中最常见的电磁干扰的分类 为了有效地对干扰效应和危害进行正确评估， IEC61000-4 电磁兼容试验和测量技术把控制系统 在工程应用中常见的电磁干扰按其性质进行分类，并对这些干扰的试验模型和试验等级作了相应规定。 不同的试验等级表示不同的抗扰度电平。下面就IEC61000-4分类的电磁干扰，分别简述其产生的原 因。 (1)电压短时中断或暂降 与低压电网连接的控制系统，由于供电电网、变电设备发生故障，或由于负荷突然发生大的变动 乃至负荷连续变化，直至控制系统备用电源的切换均能引起电压暂降、短时中断。 对 DCS、PLC 等

6、控制系统，其本身都具有允许的电压暂降值和电压中断时间(如：10ms 或 20ms)。 控制工程的设计就在于如何保证实际可能产生的电压暂降值和电压中断时间应小于控制系统正常运行 的允许值。 (2)电快速瞬变脉冲群 电快速瞬变脉冲群(简称“群脉冲”)来源于切换的瞬态过程。其频谱范围为(1100)MHz，有时可 高达 300MHz。 IEC 61000-4对电快速瞬变脉冲群的试验波形作了规定，其特点是上升时间快(5ns)，持续时间 短(50ns)，能量低，但具有较高的重复频率。 群脉冲总是通过各种耦合途径作用在控制系统的各端口。其严酷度可以用电压峰值和重复频率来 表示。 (3)浪涌 浪涌的主要来源是

7、雷电(包括直击雷和雷电电磁脉冲通过静电感应和电磁感应在电源端口、 I/O 端口 和通信端口造成的电压浪涌和电流浪涌等)以及包括电源系统的切换瞬变和各种系统故障过程中所造成 的干扰。 浪涌的特点是上升沿的变化速度快(前沿时间为 ms 级)，瞬态功率大，峰值高，所以威胁最大。 (4)静电 任何物体间的接触和分离都会有静电产生。人体是最主要的静电放电源头。 静电是非常低的能量累积， 以电容模式储存在人 体或设备表面， 由突发触及使其储能以极大的速度崩 溃放电而成，其频宽可由数百 MHz 到数个 GHz。其 放电过程如图 2 所示。 由图可知， 由于静电放电波形 的上升沿时间很短，最小可达 1ns 左

8、右，电流的变化 率很大， 其峰值电流可达数十安培， 其电磁辐射场可 在附近导线上感应出数百伏乃至上千伏的电压， 所以 对电路的影响极大，特别是对 CMOS 器件。 (5)工频磁场 工频磁场是最常见的干扰源。 工频磁场可以分两种情况： (a)正常运行条件下 的电流所产生的稳定磁场，其幅值较小，约(1 100)A/m。 (b)故障情况下的电流， 能产生幅值较高、 但持续时间较短的磁场，直到保护装置动作为止 (3001000)A/m。 (6)脉冲磁场 脉冲磁场是由雷击建筑物和其他金属构架， 以 及在低压、 中压和高压电力系统中故障的起始暂态 产生的。对控制系统而言，威胁最大的是雷击时在空间产生的脉冲

9、磁场。 (7)射频电磁场辐射 射频电磁场辐射来源于下列情况： (a)系统的操作、维护和检查人员在使用移动电话或对讲机； (b)包括电台、电视发射台、发射机及各种工业电磁辐射源的作用和影响。 (8)射频场感应的传导骚扰 射频场感应的传导骚扰主要来源是在开关电源、变频器等射频发射设备的电磁场作用下，在控制 系统的电源线、通信线、接口电缆等连接线路上产生的传导骚扰。其频率范围为(9k80M)Hz。 三三 控制工程中抗干扰的基本途径控制工程中抗干扰的基本途径 在工程上，除了简单的情况外，抗干扰的解决方案往往需要采取综合措施。它包括：控制系统的 接地和等电位连接；线缆的静电屏蔽和电磁屏蔽；控制室的网格屏

10、蔽；控制系统的浪涌防护；信号的 处理、滤波和隔离；控制系统的静电防护；供电系统的抗干扰设计；控制室的工作环境设计等。 本文仅就这些措施中的一些主要问题作一简述。 1. 控制系统的接地和等电位连接 从功能上讲，接地的作用有二： (1)保护设备和人身安全，如保护地、防雷地、本安地、防静电地等； (2)抑制干扰，即为信号电压或系统电压提供一个稳定的电位参考点。 同一接地装置往往有多个用途。 接地技术作为基本的安全技术相传至今。但近十年来，接地系统在概念和技术上都发生了很大变 化，其中最重要的转变是：以前的接地系统是否合格以接地电阻值为准，而现在则侧重于接地结构兼 顾接地电阻值，特别是控制系统从以往习

11、惯的独立接地到采用共用接地网实现等电位连结方式的转变。 2. 线缆的静电屏蔽和电磁屏蔽 在工程中采用双绞屏蔽电缆来抑制信号传输过程中对噪声的电容性耦合和电感性耦合，已是众所 周知之事。但在相应的国家标准和行业标准里，对采用双绞电缆其绞距的选择没有作出规定。 表中为几种不同双绞线的效果比较。表中的噪声衰减度指平行导线时的干扰磁场值和采用双绞线 后的干扰磁场值之比。由表可知，双绞线的屏蔽效果随单位长度绞合数的增加而提高。但绞距愈短， 电缆的成本费用也愈高。根据表中的数据及某些国外公司的标准，采用绞距为 50mm 左右的双绞电缆 为宜。 对电缆屏蔽层的接地，许多行业规范原则上规定一端接地，另一端悬空

12、。但单端接地只能防静电 感应，在雷击时抑制不了雷电波的侵入。 为此，除了内屏蔽层的一端接地外，还应增加有绝缘隔开的外屏蔽层，外屏蔽层应至少在两端作 等电位接地。在雷击时外屏蔽层与地构成环路，感应出一电流，该电流产生的磁通抵消或部分抵消雷 击时的源磁场磁通，从而抑制或部分抑制无外屏蔽层时所感应的电压。 通常，可利用金属走线槽或穿金属管作为外屏蔽层，但必须保证槽与槽之间或金属管与金属管之 间的连接良好且两端接地(管线较长时，宜每隔 30m 设一个接地点)。 实践证明，将外屏蔽层直接埋地(或采用金属网格屏蔽的钢筋混凝土电缆沟)，特别在进控制室前的 一段距离 L 内，它会收到很好的防雷效果。L 应符合

13、下列表达式的要求，但不应小于 15m。 L2 式中：埋地电缆处的土壤电阻率(健 )。 3. 控制室的金属网格屏蔽 控制室内的控制系统往往会受到各种磁场的干扰，其中雷电电磁的脉冲磁场威胁最大。 控制室的屏蔽方式大体有建筑物的自身屏蔽、金属网格屏蔽以及用金属板材围成的壳体屏蔽等几 种。壳体屏蔽的效果好，但投资也大，适用于实验室装置。建筑物自身对屏蔽有一定的功能，但效果 不甚理想。而网格屏蔽可以通过网格宽度的选择来满足控制系统的需要，最为实用。 网格大小可根据控制系统的脉冲磁场抗扰度的大小计算而得。但有一个问题往往被忽视，即一旦 采用网格屏蔽后，控制系统的机柜应该和网格的侧壁保持一定的安全距离。安全

14、距离的大小和网格的 大小有关，可以通过计算求取。 4. 控制系统的浪涌防护 产生浪涌的最主要原因是雷电电磁脉冲。控制系统的雷电保护需要在接地、等电位连接、屏蔽以 及合理布线等多方面进行考虑。 在工程上，对于改造项目，由于接地系统、线缆的选型和敷设等措施都难以改变，采用浪涌保护器(SPD)便成了雷电防护的主要办法。对于新建的工程，SPD 的设置应根据控制系统的防护等级、被保 护端口(参数)的重要性以及电缆在室外的敷设长度等因素去确定。不能按“万无一失”的要求去设计， 必须考虑“经济合理” 。 5. 控制系统的静电防护 据资料介绍，电子器件硬件的损伤，有 15%源于静电。这 15%中，又有 90%

15、源自于静电造成的潜 在性失效。这种失效事先难以检测，只能任其在元器件的生命周期内发生和积累，大大降低了元器件、 部件或整机的可靠性。其危害性较那种突发性的失效更大。所以，无论在电磁兼容性(EMC)的研究领域 内，或者在电过应力(EOS)的课题范围内，静电防护技术都占有重要的一席。 控制系统的静电防护除了在系统的开发设计阶段应予重点的考虑外，在工程应用中主要应注意如 下两点。 (1)保持控制室内的相对湿度在 4060%之间。有资料认为，如将相对湿度控制在 65%左右，由于 物体表面有层薄薄的水膜，静电荷可以通过水膜层缓慢释放，就形成不了静电。 (2)如果物体已经携带电荷，那么物体的放电应该缓慢进

16、行，以限制放电电流的变化速度。凡是和 人接触的物体，包括地面、工作台椅等的材质都应考虑其表面电阻率大小的选择。 表面电阻率小于 1011/m2的静电导体材料耗散电荷的速度最快，使用接地方式很容易将其表面所携带的电荷释放掉。但因迅速放电使放电电流峰值很大，一旦放电通道靠近已带电的控制系统，可能 会产生某种损坏。所以它不宜作为防静电材料。静电绝缘材料的表面电阻率大于 1011/m2，不能耗散 电荷，在静电敏感环境中严禁使用。 与静电导体相比，静电耗散材料的耗散电荷的速度很慢，很安全。接地的静电耗散材料也可用于 防止静电积累，一旦物体带电，也可以安全地泄放这些电荷。一般认为，防静电材质的表面电阻率不 宜超过 1011/m2。 四四 结束语结束语 近几年笔者通过控制工程中抗干扰技术的调查研究，颇有体会的是： (1)控制系统在工程中实际遇到的大多数的干扰问题往往源出于那些基本的噪声源和基本的耦合途 径。任何的干扰现象都可以用一些基本的物理概念来解释。 (2)噪声通常是无法消除的，它只是被尽量减小到不再形成干扰的程度。减少噪声问题的单一解决 方案往往是不存在