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　　欲提高控制系統(tǒng)的抗*力，除了在設(shè)計控制系統(tǒng)本體的電子線路、結(jié)構(gòu)以及軟件時應(yīng)考慮各項抗干擾
　　
　　措施外，更重要的是如何提高控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的抗干擾技術(shù)，因為我們還無法做到將控制系統(tǒng)的抗干擾性能*由控制系統(tǒng)本體去承擔(dān)。
　　
　　控制系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用必將遇到各種各樣的噪聲，噪聲又會通過各種禍合途徑干擾控制系統(tǒng)的正常運行。如何對噪聲的產(chǎn)生以及噪聲在傳播途徑中的影響予以有效的抑制，便是控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中抗干擾技術(shù)的全部內(nèi)容。
　　
　　一、構(gòu)成噪聲問題的三要素
　　
　　有用信號以外的所有電子信號總稱為噪聲。當(dāng)噪聲電壓足夠大時，足以在接收中造成騷擾使一個電路或系統(tǒng)產(chǎn)生誤操作，這就是干擾。
　　
　　典型的噪聲路徑如圖/所示。噪聲問題，包括噪聲源、噪聲的傳播途徑和感受體三個要素，在處理控制系統(tǒng)的抗干擾問題時首先要定義如下3個問題:
　　
　?。?）產(chǎn)生噪聲的源頭是什么?
　　
　?。?）哪些是對噪聲敏感的感受體?
　　
　　（3）引將噪聲從源頭傳送到感受體的藕合途徑是什么?
　　
　　回答了這3個問題后，我們就可以著手解決所遇到的噪聲問題。一般而言，將客觀存在的噪聲源的強度在發(fā)生處進(jìn)行抑制，是zui有效方法。但并非所有的噪聲源都可以抑制的，如雷擊、無線電天線發(fā)射等。如欲提高感受體對于擾的抗擾度，則取決于控制系統(tǒng)本體的電磁兼容性（EMC）。減小或攔截通過藕合路徑傳輸?shù)脑肼暣笮?，即減少傳播路徑上噪聲的傳輸量，這便是控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中所應(yīng)采取的措施。
　　
　　從物理概念上說，噪聲的傳播途經(jīng)大致有以下5種:
　　
　?。?）導(dǎo)線直接傳導(dǎo)耦合。指噪聲通過信號線和交、直流電源線以及通信線等，將信號源或電源里夾帶的噪聲直接傳導(dǎo)給系統(tǒng)。
　　
　?。?）公共阻抗耗合。指噪聲源電路和受干擾電路之間存在著一個公共阻抗，噪聲電流通過這個公共阻抗所產(chǎn)生的噪聲電壓，傳導(dǎo)給受干擾電路。
　　
　?。?）電容性禍合。又稱靜電藕合或靜電感應(yīng)。產(chǎn)生這種的主要原因是電路問存在著分布電容。
　　
　?。?）電感性耗合。又稱電磁耦合或電磁感應(yīng)。產(chǎn)生這種耦合的主要原因是電路間存在著互感。
　　
　?。?）電磁場輻射。又稱為輻射耗合或遠(yuǎn)場輻射，是電場和磁場相結(jié)合的耦合，并通過能量輻射對電路產(chǎn)生干擾。
　　
　　前4種藕合統(tǒng)稱為傳導(dǎo)性耦合。其中電容性藕合和電感性耗合又稱為近場輻射。
　　
　　嚴(yán)格地說，有關(guān)噪聲:問題的求解，需要通過麥克斯韋方程組才能得到，但十分復(fù)雜。在工程中，還是采用"電路"理論按集中參數(shù)來近似地求解。所以我們采取了如下假設(shè):
　　
　　（1）用一個連接在兩導(dǎo)體間的電容來表示兩導(dǎo)體間存在的一個隨時間變化的電場；
　　
　?。?）用一個連接在兩導(dǎo)體問的互感來表示兩導(dǎo)體間互相耦合的一個隨時間變化的磁場。
　　
　　二、控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中zui常見的電磁干擾的分類
　　
　　為了有效地對干擾效應(yīng)和危害進(jìn)行正確評估，《IEC6l000-4電磁兼容試驗和測量技術(shù)》把控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中常見的電磁干擾按其性質(zhì)進(jìn)行分類，并對這些干擾的試驗?zāi)Ｐ秃驮囼灥燃壸髁讼鄳?yīng)規(guī)定。不同的試驗等級表示不同的抗擾度電平。下面就《IEC6l000-4》分類的電磁干擾，分別簡述其產(chǎn)生的原因。
　　
　?。?）電壓短時中斷或暫降
　　
　　與低壓電網(wǎng)連接的控制系統(tǒng)，由于供電電網(wǎng)、變電設(shè)備發(fā)生故障，或由于負(fù)荷突然發(fā)生大的變動乃至負(fù)荷連續(xù)變化，直至控制系統(tǒng)備用電源的切換均能引起電壓暫降、短時中斷。
　　
　　對DCS、PLC等控制系統(tǒng)，其本身都具有允許的電壓暫降值和電壓中斷時間（如:lOms或2Oms）?？刂乒こ痰脑O(shè)
　　
　　計就在于如何保證實際可能產(chǎn)生的電壓暫降值和電壓中斷時問應(yīng)小于控制系統(tǒng)正常運行的允許值。
　　
　?。?）電快速瞬變脈沖群
　　
　　電快速瞬變脈沖群（簡稱"群脈沖"）來源于切換的瞬態(tài)過程。其頻譜范圍為（l-l0O）MHz,有時可高達(dá)30OMHz.
　　
　　《lEC6l000-4》對電快速瞬變脈沖群的試驗波形作了規(guī)定，其特點是上升時間快（50ns），持續(xù)時間短（5Ons），能量低，但具有較高的重復(fù)頻率。
　　
　　群脈沖總是通過各種耗合途徑作用在控制系統(tǒng)的各端口。其嚴(yán)酷度可以用電壓峰值和重復(fù)頻率來表示。
　　
　?。?）浪涌
　　
　　浪涌的主要來源是雷電（包括直擊雷和雷電電磁脈沖通過靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)在電源端口、I/0端口和通信端口造成的電壓浪涌和電流浪涌等）以及包括電源系統(tǒng)的切換瞬變和各種系統(tǒng)故障過程中所造成的干擾。
　　
　　浪涌的特點是上升沿的變化速度快（前沿時間為μs級），瞬態(tài)功率大，峰值高，所以威脅zui大。
　　
　?。?）靜電
　　
　　任何物體間的接觸和分離都會有靜電產(chǎn)生。人體是zui主要的靜電放電源頭。
　　
　　靜電是非常低的能量累積，以電容模式儲存在人體或設(shè)備表面，由突發(fā)觸及使其儲能以極大的速度崩潰放電而成，其頻寬可由數(shù)百MHz到數(shù)個GHz。其放電過程如圖2所示。由圖可知，由于靜電放電波形的上升沿時間很短，zui小可達(dá)lns左右，電流的變化率很大，其峰值電流可達(dá)數(shù)十安培，其電磁輻射場可在附近導(dǎo)線上感應(yīng)出數(shù)百伏乃至上千伏的電壓，所以對電路的影響極大，特別是對CMOS器件。
　　
　?。?）工頻磁場
　　
　　工頻磁場是zui常見的干擾源。
　　
　　工頻磁場可以分兩種情況:（a）正常運行條件下的電流所產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場，其幅值較小，約（1-l0O）A/m。（b）故
　　
　　障情況下的電流，能產(chǎn)生幅值較高、但持續(xù)時間較短的磁場，直到保護(hù)裝置動作為止（300-l00O）A/m。
　　
　　（6）脈沖磁場
　　
　　脈沖磁場是由雷擊建筑物和其他金屬構(gòu)架，以及在低壓、中壓和高壓電力系統(tǒng)中故障的起始暫態(tài)產(chǎn)生的。對控制系統(tǒng)而言，威脅zui大的是雷擊時在空間產(chǎn)生的脈沖磁場。
　　
　?。?）射頻電磁場輻射
　　
　　射頻電磁場輻射來源于下列情況:
　　
　?。╝）系統(tǒng)的操作、維護(hù)和檢查人員在使用或?qū)χv機;　　
　　（b）包括電臺、電視發(fā)射臺、發(fā)射機及各種工業(yè)電磁輻射源的作用和影響。
　　
　?。?）射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾
　　
　　射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾主要來源是在開關(guān)電源、變頻器等射頻發(fā)射設(shè)備的電磁場作用下，在控制系統(tǒng)的電源線、通信線、接口電纜等連接線路上產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾。其頻率范圍為（9k~80M）Hz。
　　
　　三、控制工程中抗干擾的基本途徑
　　
　　在工程上，除了簡單的情況外，抗干擾的解決方案往往需要采取綜合措施。它包括:控制系統(tǒng)的接地和等電位
　　
　　連接；線纜的靜電屏蔽和電磁屏蔽;控制室的網(wǎng)格屏蔽；控制系統(tǒng)的浪涌防護(hù)；信號的處理、濾波和隔離；控制系統(tǒng)的靜電防護(hù);供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計；控制室的工作環(huán)境設(shè)計等。
　　
　　本文僅就這些措施中的一些主要問題作一簡述。　　
　　1.控制系統(tǒng)的接地和等電位連接
　　
　　從功能上講，接地的作用有二:
　　
　?。?）保護(hù)設(shè)備和人身安全，如保護(hù)地、防雷地、本安地、防靜電地等;
　　
　　（2）抑制干擾，即為信號電壓或系統(tǒng)電壓提供一個穩(wěn)定的電位參考點。
　　
　　同一接地裝置往往有多個用途。
　　
　　接地技術(shù)作為基本的安全技術(shù)相傳至今。但近十年來，接地系統(tǒng)在概念和技術(shù)上都發(fā)生了很大變化，其中zui重要的轉(zhuǎn)變是:以前的接地系統(tǒng)是否合格以接地電阻值為準(zhǔn)，而現(xiàn)在則側(cè)重于接地結(jié)構(gòu)兼顧接地電阻值，特別是控制系統(tǒng)從以往習(xí)慣的獨立接地到采用共用接地網(wǎng)實現(xiàn)等電位連結(jié)方式的轉(zhuǎn)變。
　　
　　2.線纜的靜電屏蔽和電磁屏蔽
　　
　　在工程中采用雙絞屏蔽電纜來抑制信號傳輸過程中對噪聲的電容性耦合和電感性耦合，已是*之事。但在相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里，對采用雙絞電纜其絞距的選擇沒有作出規(guī)定。
　　
　　表中為幾種不同雙絞線的效果比較。表中的噪聲衰減度指平行導(dǎo)線時的干擾磁場值和采用雙絞線后的干擾磁場值之比。由表可知，雙絞線的屏蔽效果隨單位長度絞合數(shù)的增加而提高。但絞距愈短，電纜的成本費用也愈高。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)及某些國外公司的標(biāo)準(zhǔn)，采用絞距為5Omm左右的雙絞電纜為宜。
　　
　　對電纜屏蔽層的接地，許多行業(yè)規(guī)范原則上規(guī)定一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應(yīng)，在雷擊時抑制不了雷電波的侵入。
　　
　　為此，除了內(nèi)屏蔽層的一端接地外，還應(yīng)增加有絕緣隔開的外屏蔽層，外屏蔽層應(yīng)至少在兩端作等電位接地。在雷擊時外屏蔽層與地構(gòu)成環(huán)路，感應(yīng)出一電流，該電流產(chǎn)生的磁通抵消或部分抵消雷擊時的源磁場磁通，從而抑制或部分抑制無外屏蔽層時所感應(yīng)的電壓。
　　
　　通常，可利用金屬走線槽或穿金屬管作為外屏蔽層，但必須保證槽與槽之間或金屬管與金屬管之間的連接良好且兩端接地1管線較長時，宜每隔30m設(shè)一個接地點）。
　　
　　實踐證明，將外屏蔽層直接埋地（或采用金屬網(wǎng)格屏蔽的鋼筋混凝土電纜溝），特別在進(jìn)控制室前的一段距離L
　　
　　內(nèi)，它會收到很好的防雷效果。L應(yīng)符合下列表達(dá)式的要求，但不應(yīng)小于l5m。
　　
　　式中:p——埋地電纜處的土壤電阻率（Ω.m）。
　　
　　3.控帶室的金屬網(wǎng)格屏蔽
　　
　　控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)往往會受到各種磁場的干擾，其中雷電電磁的脈沖磁場威脅zui大。
　　
　　控制室的屏蔽方式大體有建筑物的自身屏蔽、金屬網(wǎng)格屏蔽以及用金屬板材圍成的殼體屏蔽等幾種。殼體屏蔽的效果好，但投資也大，適用于實驗室裝置。建筑物自身對屏蔽有一定的功能，但效果不甚理想。而網(wǎng)格屏蔽可以通過網(wǎng)格寬度的選擇來滿足控制系統(tǒng)的需要，zui為實用。
　　
　　網(wǎng)格大小可根據(jù)控制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾度的大小計算而得。但有一個問題往往被忽視，即一旦采用網(wǎng)格屏蔽后，控制系統(tǒng)的機柜應(yīng)該和網(wǎng)格的側(cè)壁保持一定的安全距離。安全距離的大小和網(wǎng)格的大小有關(guān)，可以通過計算求取。
　　
　　4.控制系統(tǒng)的浪涌防護(hù)
　　
　　產(chǎn)生浪涌的zui主要原因是雷電電磁脈沖。控制系統(tǒng)的雷電保護(hù)需要在接地、等電位連接、屏蔽以及合理布線等多方面進(jìn)行考慮。
　　
　　在工程上，對于改造項目，由于接地系統(tǒng)、線纜的選型和敷設(shè)等措施都難以改變，采用浪涌保護(hù)器（SPD）便成了雷電防護(hù)的主要辦法。對于新建的工程，SPD的設(shè)置應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的防護(hù)等級、被保護(hù)端口（參數(shù)）的重要性以及電纜在室外的敷設(shè)長度等因素去確定。不能按"*"的要求去設(shè)計，必須考慮"經(jīng)濟(jì)合理"。
　　
　　5.控制系統(tǒng)的靜電防護(hù)
　　
　　據(jù)資料介紹，電子器件硬件的損傷，有15%源于靜電。這15%中，又有90%源自于靜電造成的潛在性失效。這
　　
　　種失效事先難以檢測，只能任其在元器件的生命周期內(nèi)發(fā)生和積累，大大降低了元器件、部件或整機的可靠性。其危害性較那種突發(fā)性的失效更大。所以，無論在電磁兼容性（EMC）的研究領(lǐng)域內(nèi)，或者在電過應(yīng)力（EOS）的課題范圍內(nèi)，靜電防護(hù)技術(shù)都占有重要的一席。
　　
　　控制系統(tǒng)的靜電防護(hù)除了在系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計階段應(yīng)予重點的考慮外，在工程應(yīng)用中主要應(yīng)注意如下兩點。
　　
　?。?）保持控制室內(nèi)的相對濕度在40-60%之間。有資料認(rèn)為，如將相對濕度控制在65%左右，由于物體表面有
　　
　　層薄薄的水膜，靜電荷可以通過水膜層緩慢釋放，就形成不了靜電。
　　
　?。?）如果物體已經(jīng)攜帶電荷，那么物體的放電應(yīng)該緩慢進(jìn)行，以限制放電電流的變化速度。凡是和人接觸的物
　　
　　體，包括地面、工作臺椅等的材質(zhì)都應(yīng)考慮其表面電阻率大小的選擇。
　　
　　表面電阻率小于104Ω/m2的靜電導(dǎo)體材料耗散電荷的速度zui快，使用接地方式很容易將其表面所攜帶的電荷釋放掉。但因迅速放電使放電電流峰值很大，一旦放電通道靠近已帶電的控制系統(tǒng)，可能會產(chǎn)生某種損壞。所以它不宜作為防靜電材料。靜電絕緣材料的表面電阻率大于104Ω/m2，不能耗散電荷，在靜電敏感環(huán)境中嚴(yán)禁使用。
　　
　　與靜電導(dǎo)體相比，靜電耗散材料的耗散電荷的速度很慢，很安全。接地的靜電耗散材料也可用于防止靜電積累，一旦物體帶電，也可以安全地泄放這些電荷。一般認(rèn)為，防靜電材質(zhì)的表面電阻率不宜超過104Ω/m2。
　　
　　四、結(jié)束語
　　
　　近幾年筆者通過控制工程中抗干擾技術(shù)的調(diào)查研究，頗有體會的是:
　　
　?。?）控制系統(tǒng)在工程中實際遇到的大多數(shù)的干擾問題往往源出于那些基本的噪聲源和基本的耦合途徑。任何的干擾現(xiàn)象都可以用一些基本的物理概念來解釋。
　　
　?。?）噪聲通常是無法消除的，它只是被盡量減小到不再形成干擾的程度。減少噪聲問題的單一解決方案往往是不存在的，通常需要采取綜合措施。
　　
　　（3）在工程設(shè)計階段考慮干擾的抑制問題，采用的技術(shù)方法多且簡單，費用也低廉。如果待到投運過程中發(fā)現(xiàn)了問題再去解決，那就要化更高的代價和精力，有時甚至可能無法*解決。