基础概念之五－－－工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术-专业自动化论坛-中国工控网论坛

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发表于：2005-08-10 10:07:00

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工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术孟传良（贵州工业大学控制技术研究所）摘要：屏蔽是抑制干扰的重要方法。而良好的接地则是使工业控制机系统稳定运行、消除干扰的重要措施。屏蔽和接地两大技术之间的联系密切，如果应用得法，可以明显提高系统的抗干扰能力。论述了工控系统工程中使用屏蔽和接地技术的诸多要点。关键词：控制；抗干扰；可靠性；屏蔽；接地一、引言工业现场动力线路密布，设备启停运转繁忙，因此存在严重的电场和磁场干扰。而工业控制系统又有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中，导线之间形成相互耦合是通道干扰的主要原因之一。它们主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式。在工业控制系统中，由前两种耦合造成的干扰是主要的，第三种是次要的。它们对电路主要造成共模形式的干扰。可以等效为图1中的干扰源Ecm。众所周知，地球是一个静电容量很大的导体，其电位非常恒定。如果把一个导体与大地紧密连接，那么该导体的电位也是恒定的。通常我们把它的电位叫作零电位，它是电位的参考点。然而，工程上不可能做到这种紧密连接，总是存在一定的接地电阻。当有电流经该导体入地时，它的电位就有波动。于是，不同的接地点之间的电位就会有差异。当我们用一根导线连接不同的接地点时，在导线中就可能有电流流动，这称为地环电流。接地抗干扰技术就是解决以地环电流为中心的一系列技术问题。图1 等效示意了信号源地线和放大器地线之间的电位差形成的干扰源EG，它对电路主要造成共模形式的干扰。

图1 地电位差和电磁干扰造成的共模电压的等效图然而，由干扰源Ecm和EG形成的共模电压，其中一部分会转换成差模电压，直接对电路造成干扰。假设信号源Es=0，即只考虑干扰源Ecm和EG的作用时。因为i1回路和i2 回路阻抗不相等，因此，回路电流i1和i2也不相等。于是两个电流的差在放大器的输入电阻上形成了差模电压。采取合适的屏蔽和正确的接地措施就可以减少和消除这些干扰。二、屏蔽抗干扰技术 1、电场耦合的屏蔽和抑制技术克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响。请注意，屏蔽电场耦合干扰时，导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线使用。因在有地环电流时，这将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导线。正确的作法是把屏蔽层单点接地，一般选择它的任一端头接地。造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。当两导线形成电场耦合干扰时，导线1在导线2上产生的对地干扰电压VN为：

式中，V1和ω是干扰源导线1的电压和角频率；R和C2G是被干扰导线2的对地负载电阻和总电容；C12是导线1和导线2之间的分布电容。通常，C12<

从式（2）可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低导线2上的被干扰电压VN，应当减小导线1的电压V1，减小两导线之间的分布电容C12，减小导线2对地负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C2G。在这些措施中，可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C12。即采用远离技术：弱信号线要远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路。工程上的“远离”概念，通常取干扰导线直径的40倍，即认为足够了。同时，避免平行走线也可以减小C12。 2、磁场耦合的抑制技术抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来，在工程上是很难做到的。通常是采用一些被动的抑制技术。当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时，其在回路2 上形成的串联干扰电压VN为： VN=jωBAcosθ （3）式中，ω是干扰信号的角频率；B是干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度；A为回路2感受磁场感应的闭合面积，θ是和两个矢量的夹角。从式（3）可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低干扰电压VN，首先应当减小B。对于直线电流磁场来说，B与回路1流过的电流成正比，而与两导线的距离成反比。因此，要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同时，也要避免平行走线。 3、屏蔽线的使用图2示出了屏蔽线使用的三种情况。图（a）是单端接地方式。假设信号电流i1从芯线流入屏蔽线，流过负载电阻RL之后，再通过屏蔽层返回信号源。因为i1与i2大小相等方向相反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施。同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。图（b）是两端接地方式。由于屏蔽层上流过的电流是i2与地环电流iG的迭加，所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此，它抑制磁场耦合干扰的能力也比图（a）差。图（a）和（b）都有屏蔽电场耦合干扰作用。图（c）的屏蔽层悬浮，因此，它只有屏蔽电场耦合干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。

（a）单端接地（b）两端接地（c）屏蔽层不接地图2 屏蔽线的用法如果把图（c）的抑制磁场干扰衰减能力定为0 dB，当图（a）、（b）、（c）的信号源内阻RS都为100Ω，负载电阻RL都为1 MΩ，信号源频率在50 kHz（高于该电缆屏蔽体截频的5倍）时，根据国外专家实验测定，图（a）具有80 dB的衰减，即抑制磁场干扰能力很强。而图（b）具有27 dB的磁场干扰抑制能力。图（a）的单端接地方式抗干扰能力最好。其接地点的选择可以是图（a）中的情况，也可以选择负载电阻RL侧接地，而让信号源浮置。 4、双绞线的使用双绞线的绞扭节距把式（3）中的A回路分隔成许多的小回路，如果双绞线的绞扭一致的话，那么这些小回路的面积相等而法方向相反，因此，其磁场干扰可以相互抵消。双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力。当给双绞线加上屏蔽层后，一个价廉物美的传输线就诞生了。图3示出了双绞线的使用方法。如果每2.54 cm扭6 个均匀绞扭的话，当采用上节约定的参数时，根据国外专家的实验测定，各用法对磁场干扰的抑制dB数如图所示。其中图（a）采用单端接地方式，因此对磁场干扰具有高达55 dB的衰减能力。可见，双绞线确实有很好的效果。而图（b）由于两端接地，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地环电流造成了双绞线电流不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力，所以图（b）只有13 dB的磁场干扰衰减能力。图（c）使用屏蔽双绞线，由于其屏蔽层一端接地，另一端悬空，因此屏蔽层上没有返回信号电流，所以它的屏蔽层只有抗电场干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。所以图（c）的dB数与图（a）一样衰减55 dB。图（d）屏蔽层单端接地，而另一端又与负载冷端相连，因此它具有图2（a）的效果，但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分流，又比图2（a）稍差。具有77 dB的衰减。图（e）的屏蔽层双端接地，具有一定的抑制磁场耦合干扰能力，加上双绞线本身的作用，因此具有63 dB的衰减。图（f）的屏蔽层和双绞线都两端接地，因此其效果只是比图3（b）稍好。具有28 dB衰减。双绞线最好的应用是作平衡式传输线路。因为两条线的阻抗一样，自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时，平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力，因此成为大多数计算机网络的传输线。例如，物理层采用RS422A或RS485通信接口，就是很好的平衡传输模式。

图3 双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力三、接地抗干扰技术接地抗干扰技术的主要内容，其一是避开地环电流的干扰；其二是降低公共地线阻抗的耦合干扰。“一点接地”有效地避开了地环电流；而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施；它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法。然而，工业控制系统接地的含义不一定就是接大地。例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位。它可以悬浮，但要求与大地严格绝缘。通常，其绝缘电阻要达到50 MΩ以上。直流地悬浮隔离了交流地网的干扰，经济简便，工程中经常使用。直流地悬浮的缺点是机器容易带静电，如果该静电电位过高，会损坏器件，击伤操作人员等等；而且，如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小，可能会产生很多原先没有想到的干扰。直流地接大地，按照国家标准，要埋设一个不大于4Ω的独立接地体。但无论直流地悬浮或者接大地，直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系。工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接地是否合理，不只是形成相互耦合干扰的问题，有时还危及计算机系统的安全。在实际的工业控制系统中，各种通道的信号频率大多在１MHz内，属于低频范围。因此，本文只涉及低频范围的接地讨论。 1、串联接地和并联