控制系統中的抗干擾技術(shù)論文
隨著(zhù)微電子技術(shù)的高速發(fā)展和電路集成化程度的提高，單位面積內大規模集成芯片元器件數越來(lái)越多，所傳遞的信號電流也越來(lái)越小，系統的供電電壓也越來(lái)越低，現已降到5V、3V乃至1.8V。因此，芯片對外界的干擾也越趨敏感，所以顯示出來(lái)的抗干擾能力也就越來(lái)越低。
想要提高控制系統的抗干擾能力，我們除了在設計控制系統本體的時(shí)候提髙其抗千擾能力之外更重要的是如何提高控制系統在工程應用時(shí)的抗干擾技術(shù)，例如對噪聲的產(chǎn)生以及噪聲在傳播途徑中加以有效的抑制等等。
1電纜的靜電屏蔽和電磁屏蔽
在控制系統中線(xiàn)纜非常重要因為它在控制系統中最長(cháng)，容易通過(guò)近場(chǎng)的耦合干擾控制系統，并且它還像一根拾取和輻射噪聲的天線(xiàn)。所以用屏蔽來(lái)抑制線(xiàn)纜的靜電感應和電磁感應是抗干擾的方法之一。
1.1電容性耦合的抑制
靜電屏蔽：當受感應導線(xiàn)的外層包上屏蔽層以后那么感應的噪聲電壓便作用在屏蔽層上，我們在為屏蔽層提供一個(gè)良好的接地那么屏蔽層上的電壓為零所以受感應導體上的噪聲電扭也為零，所以有效的抑制了電場(chǎng)的耦合。所以我們在工業(yè)現場(chǎng)無(wú)論是電源電纜或是信號電纜都應采用屏蔽電纜。
1.2電感性耦合的抑制
電感性耦合即為線(xiàn)路間磁場(chǎng)的相互作用。在這里我們主要談?wù)劜捎秒姶牌帘�，包括雙絞電纜和同軸電纜的使用。
(1)對作為噪聲源的導線(xiàn)施行電磁屏蔽
如果我們對一段導線(xiàn)增加屏蔽那么電流流過(guò)后，全部通過(guò)導體的屏蔽體返回到干擾源。由于流過(guò)屏蔽體上的電流產(chǎn)生磁通量，且與導體產(chǎn)生的磁通量大小相等方向相反，這樣在屏蔽體的外面，不存在磁通量，既這段導線(xiàn)被屏蔽了。但是在低頻時(shí)不宜兩端接地。
(2)對作為信號線(xiàn)路施行電磁屏蔽。
信號線(xiàn)路防外界磁場(chǎng)干擾的最好方法是減少接收環(huán)路的面積以減少干擾磁場(chǎng)對接收環(huán)路產(chǎn)生的磁通量密度。對于減少接收環(huán)路面積只有加屏蔽體兩端接地才可以做到，才有電磁屏蔽作用，但是這種情況下電流的頻率不宜太低。
(3)雙絞的電磁屏蔽原理及應用。
雙絞線(xiàn)本身是一種電磁屏蔽形式。
對作為噪聲源的導線(xiàn)實(shí)施電磁屏蔽的原理圖。當雙絞線(xiàn)中有電流流過(guò)時(shí)在導線(xiàn)絞合所組成的很小的環(huán)路內產(chǎn)生相應的磁通。而在環(huán)路外由于兩邊導線(xiàn)流過(guò)的電流方向相反，產(chǎn)生的磁通方向相反從而大部分磁通被抵消。這種方式常用于供電線(xiàn)路上。
對信號線(xiàn)實(shí)施電磁屏蔽。
圖2是雙絞線(xiàn)信號線(xiàn)實(shí)施電磁屏蔽的原理圖。當雙絞線(xiàn)在噪聲的磁通中每根導線(xiàn)均被感應出感應電流，其感應方向如圖2所示。這樣同一根導線(xiàn)在相鄰兩個(gè)環(huán)的兩段上流過(guò)的感應電流大小相等方向相反，從而被抵消。所以在總的效果上，導線(xiàn)并沒(méi)有產(chǎn)生感應電流。
(4)同軸電纜和屏蔽雙絞線(xiàn)。
同軸電纜是一種用金屬編織網(wǎng)作屏蔽的電纜，在很大的范圍內，具有均勻不變的低損耗的特性阻抗，可用于高頻乃之超髙頻的頻段。無(wú)論是屏蔽雙絞線(xiàn)，或者同軸電纜，為了抑制電容性耦合，一般是單端接地，通常是在控制室側接地。
2控制系統的接地
從電氣角度來(lái)看，大地具有導電性且有無(wú)限大的容電量，所以我們可以把大地作為一個(gè)等電位點(diǎn)或者等電位面。接地的作用有兩點(diǎn)：(1)保護人身和設備安全，如保護地、防雷地、防靜電等。(2)抑制干擾，如工作地、屏蔽地、模擬地、數字地等。
下面我們來(lái)分析幾個(gè)例子。
2.1不屏蔽接地干線(xiàn)會(huì )帶來(lái)干擾
現象：有DCS系統采用單獨接地，但信號總是不穩定。
原因：經(jīng)過(guò)現場(chǎng)考察發(fā)現，其接地干線(xiàn)長(cháng)數十米，從樓頂沿外墻敷設到接地體，沒(méi)有穿管屏蔽，過(guò)長(cháng)的接地干線(xiàn)，如果沒(méi)有屏蔽措施，接地干線(xiàn)也象是一根天線(xiàn)，可以接受大量的干擾信號，使控制系統無(wú)法穩定工作，乃至系統卡被燒毀。
結論：接地干線(xiàn)應愈短愈好，必要時(shí)也應該采取屏蔽措施
2.2和其它接地系統要保持一定距離現象：某DCS采用單獨接地，發(fā)現信號干擾很大。
原因:DCS系統的單獨接地體和原有的接地網(wǎng)相距不到5m。
結論：若DCS采用單獨接地，其接地體和電氣接地網(wǎng)相距必須大于5m，和防雷接地體相距必須大于20m。
2.3等電位接地也要考慮接地引入點(diǎn)的位置
現象：有DCS系統采用等電位接地，但信號中常常出現信號不規則的波形。
原因：離DCS的接地引入點(diǎn)不到幾米處有大功率電動(dòng)機的接地點(diǎn)。
結論：要保持和防雷地、大電流髙電壓設備的接地點(diǎn)有不小于10m的距離。
3控制系統的.雷電防護
(1)雷電對控制系統侵害的途徑：靜電感應、電磁感應、反擊、電磁場(chǎng)輻射等。
(2)雷電電脈沖的基本防護措施：①屏蔽：屏蔽分為電纜的屏蔽和控制
室的屏蔽。第一，電纜的屏蔽：許多行業(yè)規范對屏蔽電纜的接地，原則上是一端接地另一端不接地。但是單端接地只能防靜電感應抑制不了電磁感應所產(chǎn)生的干擾。所以延伸出了信號傳輸線(xiàn)的雙層屏蔽，電纜采用雙層屏蔽，兩個(gè)屏蔽層的層與層之間是絕緣的，內層單端接地，抑制電容性耦合;外層兩端或多端接地，抑制電感性耦合。雙層屏蔽電纜的外屏蔽層可采用下述方法實(shí)現：鎧裝電纜的鎧裝層;敷設電纜的金屬線(xiàn)槽、金屬管等;鋼筋混凝土結構的電纜溝。第二，控制室的屏蔽：控制室的屏蔽方式大體有建筑物的自身屏蔽、金屬網(wǎng)格的格柵型大空間屏蔽以及金屬板材圍成的殼體屏蔽等。殼體屏蔽的屏蔽效果最好，但投資也很大，適用于實(shí)驗室裝置。建筑物自身對屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格柵型大空間的屏蔽可以通過(guò)選擇網(wǎng)格寬度的大小來(lái)滿(mǎn)足控制系統的需要，平衡投資的大小和效果的好壞，格柵型大空間的屏蔽最為理想。②合理布線(xiàn)：A減少感應環(huán)路面積以減小互感，從而抑制干擾的電感性耦合。B和引下線(xiàn)保持一定距離。③浪涌保護器：浪涌保護器是一種限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分流浪涌電流的器件。其基本原理是，它并接在被保護設備的附近，在沒(méi)有浪涌出現時(shí)為高阻抗，當出現浪涌時(shí)就在很短的時(shí)間內(ns級)將雷電流釋放到地使浪涌保護器變?yōu)榈妥杩�，從而保護了被保護設備。④接地和等電位連接：防雷工程的接地系統用于雷電流的釋放;抑制雷電電磁脈沖的電磁感應和靜電感應;將分開(kāi)的儀表裝置通過(guò)等電位連接，以減少控制系統的設備在金屬構件與設備之間或設備與設備之間因雷擊產(chǎn)生的電位差。
4控制室的靜電防護
靜電在工程中的應用：靜電除塵、靜電噴涂、靜電凈化、靜電復印等。
4.1靜電放電的特點(diǎn)
(1)由于靜電放電的時(shí)間是ns級的峰值電流可達數十安培，所以說(shuō)瞬間的功率十分巨大。(2)由于電流波形的上升時(shí)間很短，即di/dt很大，所以可以感應出幾百伏乃至上千伏的高電位，從而產(chǎn)生出強電場(chǎng)。由于電流脈沖上升時(shí)間極快，持續時(shí)間極短，所以產(chǎn)生的靜電放電電磁脈沖其能量足以使電子部件中敏感元件損壞。
4.2控制室靜電防護的基本措施
防止控制系統和電路不受靜電放電的干擾和破壞，控制室的設計即靜電防護工作區的建立應采取的基本方法，一般有：
(1)抑制千擾源，減小或消除源頭上的靜電積累。防止靜電的產(chǎn)生是最徹底的方法，從產(chǎn)生靜電的原理看，應該從降低有關(guān)物體的絕緣度著(zhù)手，使兩物體即使摩擦也不產(chǎn)生或少產(chǎn)生靜電。(2)鋪設具有-定電阻率的防靜電地面，它不僅可以導出人體靜電，也為活動(dòng)的設備提供了靜電接地的條件。(3)操作人員宜穿防靜電制服。防靜電制服通常是由導電纖維或經(jīng)抗靜電改性的織物制成。用于防止人體靜電的積累。(4)操作人員穿防靜電鞋也是一種可行的措施。因為人是導體，在人體靜電防護中最主要的措施是保證人體始終靜電接地。(5)控制柜以及電纜的屏蔽層都必須保持良好的接地。(6)設置溫、濕度控制。
上述諸措施中，控制控制室的溫度和濕度和防靜電地面的設置和接地必須在控制室的設計階段提前考慮。
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