人體靜電對復卷機控制系統的影響

李天利

(陜西科技大學，陜西西安，710021)

1 靜電

1.1 靜電和靜電放電

靜電是物體所帶相對靜止不動、單極性的電荷。靜電起電機理一般分為接觸、分離、摩擦三個過程，在此過程中引起電荷轉移，正負極性的電荷分別積累在兩個物體上而形成靜電。靜電源與其他物體接觸時，依據電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓，也就是靜電放電 (ESD)是具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移［1］。

靜電具有高電位 (數萬伏)、低電量 (毫微庫侖)、作用時間短 (微秒或納秒)、與濕度有關的特點。靜電的基本物理特性有:①力學效應:同性排斥，異性相吸;②放電效應:ESD伴隨著產生熱，寬頻帶電磁輻射，瞬間放電電流峰會可達幾安以上;③感應效應:感應電壓可達數萬伏。

1.2 人體靜電及其能量

1.2.1 人體靜電［2］

人體通過衣服摩擦、在地面上行走和與家具以及器具的接觸和分離、還有其他的靜電感應等途徑，讓任何帶電物體都很容易將所攜帶的電荷轉移到導電的人體皮膚上，使得人體成為復卷機電氣控制室內最主要的靜電放電源。一個物體上所積累的電荷儲存在該物體的電容中，人體電容是存在的，該電容被稱之為自由空間電容，其第二平板即為地球。一個人體在自由空間中的電容約為50 pF。除此以外，人體電容還包括腳底與地面之間的電容 (約100 pF)，如果人體接近墻壁等周圍的某些物體，還會增加50～100 pF的電容。所以人體電容等于人體自由空間電容與平板電容之和，在50～250 pF之間變化。人體電容也可用經驗公式 (1)計算。

式中，C為人體電容，pF;H為人體高度，cm;K為鞋底材料的介質常數;A為兩只鞋底的總面積，cm2;D為鞋底厚度，cm。

人體電阻是非線性的，根據研究結果，當人體有有完好的角質外層并且很干燥時，人體電阻大約10 kΩ，當角質外層破壞時，人體電阻降為0.8～1.0 kΩ［3］，因此人體電阻值約在0.8～10 kΩ 之間。此外，人體電阻和人體產生放電的位置也有關，若手指尖放電，人體電阻約為10 kΩ;若手掌放電，人體電阻約為1 kΩ;若在手持的金屬物體上放電，人體電阻約為500 Ω;若放電發生在較大的金屬物體上，人體電阻可以減小為50 Ω。

人體靜電放電的等效電路的電容和電阻是串聯的。通常，人體不會感受到靜電電壓在3.5 kV以下所產生的放電，只有電壓達到25 kV，人體才會感到疼痛。

1.2.2 人體靜電的能量及放電規律

按照電工理論［3］，人體帶電時所具有的能量按公式 (2)計算。

式中，W為人體帶電具有的能量，J;C為人體對地電容，F;U為人體靜電電壓，V。

帶靜電的人體接觸其他導電物體 (設其電阻為R)形成回路時就可放電，放電的規律為指數規律［3］:

式中，R為人體電阻和人體所接觸導體的等效電阻，Ω;U為人體靜電電壓初始值，V。RC=τ為靜電放電的時間常數，s。

放電電流的大小為［3］:

式中，i(t)為人體放電電流，A。

2 人體靜電對復卷機控制系統的影響

無論復卷機的電氣控制設備［4］是直流傳動還是交流傳動，都采用調速裝置，輔助控制中采用繼電器、接觸器、熱繼電器、空氣開關等設備，上位機采用工控機或工業用一般臺式機，控制器件采用可編程序控制器 (PLC)。為了保證復卷機的正常平穩運行，上述設備、元器件的性能必須在復卷機的運行過程中穩定可靠。但是如果帶有靜電的人體 (或其他物體)接觸了這些設備而放電，會造成以下的影響。

(1)對控制設備的分立元器件造成損害，從而使相應的設備控制失靈或性能下降。表1所列為半導體器件的靜電破壞電壓［5］。從表1可以看出，常見分離元器件的靜電破壞電壓都比較有限，難以承受帶有靜電的人體的接觸放電，雖然調速設備自身帶有靜電防護，但也不能確保萬無一失。

人體靜電放電電流密度高、電壓高、時間短，使器件的電壓電流變化率大而引起器件、導體局部過熱擊穿，造成永久損壞。公式 (3)中τ=RC是人體靜電放電的時間常數，這個值很小，例如R=10 kΩ (人體電阻和人體所接觸導體的等效電阻)，C=250 pF時，τ=RC=2.5 μs，按照電路理論一般經過3～4τ(即大約10 μs，計算時取的R和C的值都大，所以實際放電的時間會遠小于10 μs)放電就會結束［3］。若帶電人體的靜電電壓U=10 kV，按公式 (4)計算出放電的電流初始值 (t=0時)為1 A，則電流電壓變化率分別為:這個值已遠超器件的承受能力。會引起器件、導體局部過熱擊穿，造成永久損壞，從而使復卷機控制失靈。

表1 半導體器件的靜電破壞電壓

(2)對控制設備中的集成電路造成損害，從而使相應的設備控制失靈或性能下降。高密度集成電路組件，不論是MOS器件，還是雙極性器件都可能因靜電電場和靜電放電電流引起失效，或造成難以被人們發現的“軟故障”，給整機留下隱患，直接影響產品的質量壽命和性能。

(3)對計算機造成影響。當人體靜電觸及電子計算機時，對計算機放電，有可能使計算機輸入單元錯誤采集，造成計算機運算和判斷出錯而產生錯誤輸出，例如如果靜電放電時剛好引起“斷紙檢測”光電傳感器的輸入通道誤輸入，就可能造成復卷機的立即停機。另外靜電放電還會有可能使計算機的用戶程序紊亂、干擾數據總線使數據無法傳送或傳送不準確等。

(4)人體所帶靜電的能量具有一定的危險。例如R=10 kΩ (人體電阻和人體所接觸導體的等效電阻)，C=250 pF時按照公式 (2)計算得W=12.5 mJ=1250 μJ，對于某些危險品100 ～300 μJ的能量就可使其發火［6］。因此人體動作所產生的靜電是不容忽視的問題。

帶電人體的靜電造成的危害是嚴重的，但因其具有的瞬時性的特點，給工作人員排查問題造成了困難，不僅硬件人員很難查出，有時還會使軟件人員誤認為是軟件故障，從而造成工作上的麻煩。

3 復卷機控制系統中防止人體靜電的方法

帶有靜電的人體對復卷機的控制系統有安全威脅，因此需采取有效措施加以防范。

(1)做好復卷機控制系統的接地。接地可達到兩個目的:①當進入系統的信號供電電源或系統設備本身出現問題時，能有效地承受過載電流并可以迅速將過載電流導入大地。因此當帶有靜電的人體通過系統放電時，接地便可有效保護控制系統免遭傷害。②接地能夠為系統提供屏蔽層，消除電子噪聲干擾，并為整個控制系統提供公共信號參考點即參考零電位。圖1所示是一種復卷機控制系統的接地圖，可參考使用。

圖1 復卷機電控接地圖

(2)復卷機操作人員要正確使用各種防靜電防護用品 (如防靜電鞋、防靜電工作服、防靜電手套等)，不得穿戴合成纖維及絲綢物。

(3)復卷機操作人員在進入控制室之前，應先充分放電，方法是徒手觸摸接地金屬物。

(4)敏感的器件不能隨意包裝，備用的器件應立即放到黑色的永久性的防靜電包裝袋內，裝入包裝袋內的器件不要晃動以減少摩擦生電。

(5)通過調整控制室內的相對濕度來減少靜電的產生，以減少人體帶電的機會。經過實驗所得的表2［7］數據證明，濕度高時產生靜電電壓較低，但是濕度越高對控制室的調速裝置和其他元器件不利，因此，要合理控制控制室中的濕度，使得既可防止靜電又可不影響復卷機工作。

(6)復卷機控制室要鋪設防靜電地板。

4 結論

靜電放電的產生是無法避免的，但靜電放電的危害卻是可以預防和控制的。復卷機控制系統的靜電防護尤其是防止人體的靜電放電是一個需要長期堅持的系統工程，只要建立有效防護措施，做好人員培訓、認真執行各項技術措施、管理到位，靜電危害就可以降低到最小甚至可以避免，使復卷機控制系統安全可靠地工作。以上方法雖以復卷機為例進行說明，但對于紙機控制系統也同樣適用。

表2 典型的相對濕度與人體活動帶靜電的關系

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