一、前言

在工业自动化系统的调试与运行中，信号干扰问题几乎无处不在。

明明PLC程序没错，线路也接得对，可是——

模拟量波动不稳，趋势曲线像“心电图”；

远程I/O偶尔掉线，通讯报警时有时无；

控制阀乱跳，变频器误动作；

测温信号飘动，控制回路无法闭环。

工程师最怕的不是复杂控制逻辑，而是莫名其妙的信号干扰。

这类问题往往隐藏在电缆、接地、屏蔽、隔离这些“细节”里。

本文从实战角度出发，系统讲解工业现场信号隔离与抗干扰设计的核心原理、实施要点与经验技巧。

二、工业信号干扰的本质

要解决干扰，先得明白“谁在干扰谁”。

工业现场的干扰主要分为以下几类：

电磁感应干扰（EMI）

由变频器、电机、接触器、电源等产生的高频电磁场引起。

表现为模拟信号波动或通讯中断。

共模干扰

两条信号线对地电位不一致，导致干扰电流经地线传入系统。

差模干扰

干扰信号直接叠加在信号回路上，常见于电缆并行铺设时的感应串扰。

接地环流干扰

多点接地造成电位差，电流循环流动形成噪声信号。

供电干扰

电源电压波动、开关电源谐波、瞬态浪涌造成系统不稳。

一句话总结：

干扰来源多半“看不见”，但总能“看出结果”。

三、信号隔离的基本思路

所谓信号隔离，就是在不同电气回路间建立电气上的“屏障”，

让信号能通过，而干扰不能。

常见的隔离方式包括：

光电隔离（Optical Isolation）

利用光耦器件实现信号传递与电气隔离。

优点：响应快、耐压高、适合数字信号。

磁隔离（Magnetic Isolation）

通过小型变压器耦合信号（多用于通讯口或电源隔离）。

电容隔离（Capacitive Isolation）

用于高速通讯信号的交流耦合隔离（如RS485收发器）。

信号隔离模块（Isolation Transmitter）

将模拟信号输入，经内部变换与隔离后输出新的标准信号。

例如：4–20mA输入 → 4–20mA输出，隔离3000V。

四、模拟信号的抗干扰设计

1. 采用标准电流信号

在工业控制中，电流信号（4–20mA）远优于电压信号（0–10V），

原因如下：

抗干扰能力强，信号线压降影响小；

可检测断线（<3.8mA）；

传输距离远，可达数百米。

2. 屏蔽与接地

采用屏蔽双绞线，屏蔽层在一端（通常是信号源侧）单点接地；

屏蔽层两端接地容易形成环流，应避免；

信号线与动力线保持30cm以上间距，且交叉时尽量垂直。

3. 模拟量隔离器的使用

安装在传感器与PLC输入之间，用于：

电气隔离；

信号放大与线性化；

抗干扰与浪涌保护。

选择时注意：

隔离电压≥2500V；

误差≤0.1|?

响应时间＜10ms。

4. 滤波与稳压

在模拟输入端加装RC滤波（如100Ω + 0.1μF）；

对24V供电加EMI滤波器与瞬态抑制二极管（TVS）。

五、数字与通讯信号的抗干扰设计

1. 通讯线缆规范

RS485/RS422：必须使用双绞屏蔽线（如STP 120Ω）；

CAN、Profibus、Modbus：推荐使用带编织屏蔽层的工业线缆；

通讯距离超过500m应加中继器或隔离器。

2. 接地与参考电位

所有通讯设备的GND应在同一点参考接地；

若距离较远，应使用光隔离型通讯接口。

3. 差分传输原理

RS485/CAN等采用差分信号方式：

干扰同时作用在两线时会被相互抵消。

确保终端匹配电阻（一般为120Ω）正确安装。

4. 网络与光纤隔离

对于复杂系统或高电磁环境，推荐使用光纤通讯：

抗雷击、无地电位差；

可传输数公里；

延时低、速率高。

六、电源系统的抗干扰设计

1. 电源分层供电

控制系统与动力系统分开供电；

模拟量、数字量、电机驱动分路供电；

配电柜中设置独立的24V稳压模块。

2. 电源滤波

在电源进线端安装：

EMI滤波器；

浪涌保护器SPD；

共模扼流圈。

3. 接地系统优化

“一点接地，多点连接”；

控制柜、屏蔽层、设备机壳均连接到同一接地母排；

接地电阻≤4Ω（弱电系统可放宽至10Ω）。

七、现场布线与安装经验

强弱电分槽、分管走线；

线缆编号清晰，避免交叉与重叠；

控制柜内模拟量与动力线保持≥20cm间距；

变频器输出端与PLC信号线分开走线；

使用带金属接头的屏蔽线固定端，屏蔽层必须连续；

所有柜体接地线截面积≥6mm2，连接点牢固防腐蚀。

八、工程案例

案例一：液位信号波动

液位传感器输出4–20mA，趋势曲线波动±10??

检查发现信号线与380V动力线并行20米，未加屏蔽。

整改：更换屏蔽双绞线并单端接地，波动降至±0.2??

案例二：RS485通讯掉线

多个变频器与上位机通讯时频繁中断。

分析：不同设备供电地电位差达2V。

改造：加装光电隔离器与终端匹配电阻，通讯稳定。

案例三：压力信号漂移

现场环境电磁噪声大，模拟信号受干扰。

方案：信号隔离模块+RC滤波+24V独立电源，问题彻底解决。

九、系统级抗干扰思维

1. 从“点防护”到“系统防护”

单一设备加隔离模块只是临时补救。

真正的抗干扰应从系统设计阶段入手：

合理接地；

电源分层；

线路布局；

信号隔离与滤波策略。

2. 抗干扰三层防线

层级 目标 实施措施

设备层 保护单个信号 屏蔽、隔离、滤波

系统层 保护控制回路 接地、配电分离

网络层 保护数据通讯 光纤、差分传输、加密

3. 预防优于修复

多数干扰问题一旦出现，排查成本远高于预防成本。

设计阶段多花10?精力，运行阶段可少50?故障。

十、未来趋势

智能隔离与监测模块

隔离器具备自诊断与健康状态监测功能，自动识别信号质量异常。

数字滤波与软件抗干扰

在PLC中通过平均滤波、中值滤波、卡尔曼算法抑制噪声。

系统级EMC设计标准化

未来工业系统将按EMC等级设计，抗干扰将成为基础要求。

光电融合通讯

光电隔离与光纤通讯结合，全面解决长距离干扰与安全问题。