1、工控系統的屏蔽和接地抗干擾技術*摘 要 屏蔽是抑制干擾的重要方法。而良好的接地則是使工業控制機系統穩定運行、消除干擾的重要措施。屏蔽和接地兩大技術之間的聯系密切，如果應用得法，可以明顯提高系統的抗干擾能力。論述了工控系統工程中使用屏蔽和接地技術的諸多要點。關鍵詞 控制；抗干擾；可靠性；屏蔽；接地中圖分類號 TP391.8；TP802.1；TP802.6                   文獻標識碼   B0 引 言

2、工業現場動力線路密布，設備啟停運轉繁忙，因此存在嚴重的電場和磁場干擾。而工業控制系統又有幾十乃至幾百個輸入輸出通道分布在其中，導線之間形成相互耦合是通道干擾的主要原因之一。它們主要表現為電容性耦合、電感性耦合、電磁場輻射三種形式。在工業控制系統中，由前兩種耦合造成的干擾是主要的，第三種是次要的。它們對電路主要造成共模形式的干擾。可以等效為圖1中的干擾源Ecm。眾所周知，地球是一個靜電容量很大的導體，其電位非常恒定。如果把一個導體與大地緊密連接，那么該導體的電位也是恒定的。通常我們把它的電位叫作零電位，它是電位的參考點。然而，工程上不可能做到這種緊密連接，總是存在一定的接地電阻。當有電流經該導體

3、入地時，它的電位就有波動。于是，不同的接地點之間的電位就會有差異。當我們用一根導線連接不同的接地點時，在導線中就可能有電流流動，這稱為地環電流。接地抗干擾技術就是解決以地環電流為中心的一系列技術問題。圖1 等效示意了信號源地線和放大器地線之間的電位差形成的干擾源EG，它對電路主要造成共模形式的干擾。圖1 地電位差和電磁干擾造成的共模電壓的等效圖然而，由干擾源Ecm和EG形成的共模電壓，其中一部分會轉換成差模電壓， 直接對電路造成干擾。假設信號源Es=0，即只考慮干擾源Ecm和EG的作用時。因為i1回路和i2 回路阻抗不相等，因此，回路電流i1和i2也不相等。于是兩個電流的差在放大器的輸入電阻上

4、形成了差模電壓。采取合適的屏蔽和正確的接地措施就可以減少和消除這些干擾。1 屏蔽抗干擾技術1.1 電場耦合的屏蔽和抑制技術克服電場耦合干擾最有效的方法是屏蔽。因為放置在空心導體或者金屬網內的物體不受外電場的影響。請注意，屏蔽電場耦合干擾時，導線的屏蔽層最好不要兩端連接當地線使用。因在有地環電流時，這將在屏蔽層形成磁場，干擾被屏蔽的導線。正確的作法是把屏蔽層單點接地，一般選擇它的任一端頭接地。造成電場耦合干擾的原因是兩根導線之間的分布電容產生的耦合。當兩導線形成電場耦合干擾時，導線在導線上產生的對地干擾電壓VN為：式中，V1和是干擾源導線1的電壓和角頻率；R和C2G是被干擾導線2的對地負載電阻和

5、總電容；C12是導線1和導線2之間的分布電容。通常，C12<<C2G，因此，式(1)可以簡化成：從式(2)可以看出，在干擾源的角頻率不變時，要想降低導線2上的被干擾電壓VN， 應當減小導線1的電壓V1，減小兩導線之間的分布電容C12，減小導線2對地負載電阻R以及增大導線2對地的總電容C2G。在這些措施中，可操作性最好的是減小兩導線之間的分布電容C12。即采用遠離技術：弱信號線要遠離強信號線敷設，尤其是遠離動力線路。工程上的“遠離”概念，通常取干擾導線直徑的40倍，即認為足夠了。同時，避免平行走線也可以減小C12。1.2 磁場耦合的抑制技術抑制磁場耦合干擾的好辦法應該是屏蔽干擾源。大

6、電機、電抗器、磁力開關和大電流載流導線等等都是很強的磁場干擾源。但把它們都用導磁材料屏蔽起來，在工程上是很難做到的。通常是采用一些被動的抑制技術。當回路1對回路2造成磁場耦合干擾時，其在回路2 上形成的串聯干擾電壓VN為：VN=jBAcos (3)式中，是干擾信號的角頻率；B是干擾源回路1形成的磁場鏈接至回路2處的磁通密度；A為回路2感受磁場感應的閉合面積，是和兩個矢量的夾角。從式(3)可以看出，在干擾源的角頻率不變時，要想降低干擾電壓VN，首先應當減小B。對于直線電流磁場來說，B與回路1流過的電流成正比，而與兩導線的距離成反比 。因此，要有效抑制磁場耦合干擾，仍然是遠離技術。同時，也要避免平

7、行走線。1.3 屏蔽線的使用圖2示出了屏蔽線使用的三種情況。圖(a)是單端接地方式。假設信號電流i1從芯線流入屏蔽線，流過負載電阻RL之后，再通過屏蔽層返回信號源。因為i1與i2大小相等方向相反，所以它們產生的磁場干擾相互抵消。這是一個很好的抑制磁場干擾的措施。同時它也是一個很好的抵制磁場耦合干擾的措施。圖(b)是兩端接地方式。由于屏蔽層上流過的電流是i2與地環電流iG的迭加，所以它不能完全抵消信號電流所產生的磁場干擾。因此，它抑制磁場耦合干擾的能力也比圖(a)差。圖(a)和(b)都有屏蔽電場耦合干擾作用。圖(c)的屏蔽層懸浮，因此，它只有屏蔽電場耦合干擾能力，而無抑制磁場耦合干擾能力。(a)

8、單端接地                   (b)兩端接地                 (c)屏蔽層不接地圖2 屏蔽線的用法如果把圖(c)的抑制磁場干擾衰減能力定為0 dB，當圖(a)、(b)、(c)的信號源內阻RS都為100，負載電阻RL都為1 M，信號源頻率在

9、50 kHz（高于該電纜屏蔽體截頻的倍）時，根據國外專家實驗測定，圖(a)具有80 dB的衰減，即抑制磁場干擾能力很強。而圖(b)具有27 dB的磁場干擾抑制能力。 圖(a)的單端接地方式抗干擾能力最好。其接地點的選擇可以是圖(a)中的情況，也可以選擇負載電阻RL側接地，而讓信號源浮置。1.4 雙絞線的使用雙絞線的絞扭節距把式(3)中的A回路分隔成許多的小回路，如果雙絞線的絞扭一致的話，那么這些小回路的面積相等而法方向相反，因此，其磁場干擾可以相互抵消。雙絞線的結構對電場耦合干擾的抑制毫無能力。當給雙絞線加上屏蔽層后，一個價廉物美的傳輸線就誕生了。圖3示出了雙絞線的使用方法。如果每2.54 c

10、m扭6 個均勻絞扭的話，當采用上節約定的參數時，根據國外專家的實驗測定，各用法對磁場干擾的抑制dB數如圖所示。其中圖(a)采用單端接地方式，因此對磁場干擾具有高達55 dB的衰減能力。可見，雙絞線確實有很好的效果。而圖(b)由于兩端接地，地線阻抗與信號線阻抗不對稱，地環電流造成了雙絞線電流不平衡，因此降低了雙絞線抗磁場干擾的能力，所以圖(b)只有13 dB的磁場干擾衰減能力。圖(c)使用屏蔽雙絞線，由于其屏蔽層一端接地，另一端懸空，因此屏蔽層上沒有返回信號電流，所以它的屏蔽層只有抗電場干擾能力，而無抑制磁場耦合干擾能力。所以圖(c)的dB數與圖(a)一樣衰減55 dB。圖(d)屏蔽層單端接地，

11、而另一端又與負載冷端相連，因此它具有圖2(a)的效果，但它的屏蔽層上的電流由于被雙絞線中的一根分流，又比圖2(a)稍差。具有77 dB的衰減。圖(e)的屏蔽層雙端接地，具有一定的抑制磁場耦合干擾能力，加上雙絞線本身的作用，因此具有63 dB的衰減。圖(f)的屏蔽層和雙絞線都兩端接地，因此其效果只是比圖3(b)稍好。具有28 dB衰減。雙絞線最好的應用是作平衡式傳輸線路。因為兩條線的阻抗一樣，自身產生的磁場干擾或外部磁場干擾都可以較好的抵消。同時，平衡式傳輸又獨具很強的抗共模干擾能力，因此成為大多數計算機網絡的傳輸線。例如，物理層采用RS422A或RS485通信接口，就是很好的平衡傳輸模式。圖3

12、 雙絞線的用法及其抗磁場耦合干擾能力2 接地抗干擾技術接地抗干擾技術的主要內容，其一是避開地環電流的干擾；其二是降低公共地線阻抗的耦合干擾。“一點接地”有效地避開了地環電流；而在“一點接地”前提下，并聯接地則是降低公共地線阻抗的耦合干擾的有效措施；它們是工業控制系統采用的最基本的接地方法。然而，工業控制系統接地的含義不一定就是接大地。例如直流接地只是定義電路或系統的基準電位。它可以懸浮，但要求與大地嚴格絕緣。通常，其絕緣電阻要達到50 M以上。直流地懸浮隔離了交流地網的干擾，經濟簡便，工程中經常使用。直流地懸浮的缺點是機器容易帶靜電，如果該靜電電位過高，會損壞器件，擊傷操作人員等等；而且，如果

13、這時直流地與大地的絕緣電阻減小，可能會產生很多原先沒有想到的干擾。直流地接大地，按照國家標準，要埋設一個不大于 的獨立接地體。但無論直流地懸浮或者接大地，直流地與大地之間的電位都存在著間接或者直接的關系。工業控制機所操作的各種輸入輸出信號之間接地是否合理，不只是形成相互耦合干擾的問題，有時還危及計算機系統的安全。 在實際的工業控制系統中，各種通道的信號頻率大多在MHz內，屬于低頻范圍。因此，本文只涉及低頻范圍的接地討論。2.1 串聯接地和并聯接地在圖4(a) 所示意的串聯接地方式中，電路、各有一個電流i1、i2、i3流向接地點。由于地線存在電阻，因此，A、B、C點的電位不再是零， 于是各個電路

14、間相互發生干擾。尤其是強信號電路將嚴重干擾弱信號電路。如果必須要這樣使用，應當盡力減小公共地線的阻抗，使其能達到系統的抗干擾容限要求。串聯的次序是，最怕干擾的電路的地接點，而最不怕干擾的電路的地應當接點。但工業控制機中的模擬通道和數字通道不能這樣串聯接地。應當按照圖4(b)所示意的并聯接地方式使用。并聯接地中各個電路的地電位只與其自身的地線阻抗和地電流有關，互相之間不會造成耦合干擾。因此，有效地克服了公共地線阻抗的耦合干擾問題，工業控制機應當盡量采用并聯接地方式。值得注意的是，雖然采用了并聯接地方式，但是地線仍然要粗一些，以使各個電路部件之間的地電位差盡量減小。這樣，當各個部件之間有信號傳送時

15、，地線環流干擾將減小。圖4 電路部件的一點接地(a)串聯接地方式(b)并聯接地方式2.2 一個實際的信號采集系統接地方案圖5 一個實際的信號采集系統接地示意圖一個實際的信號采集系統接地示意圖如圖5所示。 多個模擬輸入信號采用屏蔽雙絞線接至工控數據采集處理機。所有模擬信號源都浮置，這對于多數工業變送器（傳感器）來說，都能夠滿足這個要求。模擬輸入信號采用一點接地，接地點選在微處理機的模入接口的模擬地GA上。屏蔽層也采用一點接地，接在模擬地上。這與圖3(c)的用法相同。這種用法靠雙絞線抑制磁場耦合干擾，屏蔽層屏蔽電場干擾。雖然抑制dB數不算高，但它不會引入其它噪聲，可靠性較好，不論在什么現場環境都可

16、用。所有的模擬電路的地線并聯于GA點，然后用一根具有絕緣皮的低阻抗導線，將模擬地連接到專為工控機埋設的獨立接地體的線鼻上。工控數據采集處理機的數字地也應并聯于一點GD，仍然用一根具有絕緣皮的低阻抗導線，將數字地GD連接到專為工控機埋設的獨立接地體的線鼻上。工控機的外設地線也應并聯于該獨立接地體的線鼻上。對于一般的工業現場，外設的保護地線、工控機柜、傳感器柜、執行器柜等的保護地線都可以并聯到該獨立接地體的線鼻上。但是要求高的項目應當埋設專門的獨立的安全保護地線，并把設備和機柜的保護地線并聯地接于那里。國家標準規定，計算機的安全保護地線接地電阻不應大于4 。嚴禁使用建筑物的避雷地作工業控制系統的任何地線使用。 如果把圖5的計算機采集系統直流地懸浮運行，那么它的的模擬地、數字地仍然