自動化儀表的電磁兼容分析

彭根深

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

近年來，自動化儀表廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活，極大推動了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高了人們的生活水平。但是，自動化儀表的電磁干擾問題也備受社會各界關(guān)注。為了降低電磁干擾對自動化儀表的影響，提高自動化儀表的電磁兼容性，必須采取有效技術(shù)措施，提高自動化儀表的抗電磁干擾能力。

1 電磁兼容性概述

1.1 電磁兼容性（EMC）

所謂電磁兼容性，指設(shè)備在相同的電磁環(huán)境下，可以同時正常發(fā)揮各自的功能。即設(shè)備運(yùn)行過程中，不會受到相同電磁環(huán)境下其他設(shè)備發(fā)出的電磁信號的干擾，也不會影響其他設(shè)備正常工作[1]。通常情況下，電磁干擾必須具備干擾源、耦合路徑以及敏感設(shè)備三大要素。其中，干擾源是電磁能量的發(fā)射裝置，耦合路徑是承載電磁能量的介質(zhì)，受到電磁干擾的設(shè)備就是敏感設(shè)備。為了提高設(shè)備的抗電磁干擾性，電磁兼容性設(shè)計過程中，必須找出以上三大要素，采取有效措施，降低電磁干擾對設(shè)備的影響，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

1.2 電磁兼容設(shè)計的要點(diǎn)

第一，濾波。濾波指經(jīng)過科學(xué)計算，將具有一定參數(shù)的電感、電容和電阻以一定的方式進(jìn)行排列，判斷分析信號頻率，從中提取有效的信號頻率分量，隔絕干擾頻率的影響，達(dá)到降低電磁干擾的目的。濾波器設(shè)計過程中，應(yīng)注意分開設(shè)置濾波器的輸入和輸出線路，盡量縮短濾波器的輸出線路，減少其對自動化儀表產(chǎn)生的二次干擾。此外，濾波器選擇時，可以通過增加回路的方式，實(shí)現(xiàn)多個回路的同時防護(hù)。

第二，屏蔽。所謂屏蔽，即在制作自動化儀表的外殼和顯示屏的過程中，采用導(dǎo)磁、導(dǎo)電材料，將周圍的電磁干擾隔絕在外殼和顯示屏外，借助外殼、顯示屏的屏蔽作用，削弱電磁干擾的影響。常見的屏蔽設(shè)計方法包括磁場屏蔽、電屏蔽以及電磁屏蔽三種。

第三，接地。自動化儀表系統(tǒng)設(shè)計過程中，通過與地面導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有元件零電位的相互連通，共同建立一個地面參考點(diǎn)。一旦系統(tǒng)中出現(xiàn)干擾電流，可利用接地裝置將其導(dǎo)入大地中，通過控制電磁干擾的耦合路徑，達(dá)到降低電磁干擾的目的[2]。

2 常見的電磁干擾環(huán)境

2.1 大功率電力電子設(shè)備影響

很多自動化儀表都應(yīng)用于大型工業(yè)廠區(qū)，而工業(yè)生產(chǎn)過程中勢必存在大功率的電力電子設(shè)備，如直流電機(jī)、變頻器等。這些設(shè)備會在工作時產(chǎn)生巨大的電磁干擾，影響自動化儀表，導(dǎo)致顯示屏出現(xiàn)亂碼或者誤動作，測量精度下降，甚至導(dǎo)致設(shè)備的配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

2.2 浪涌沖擊

第一，很多大型負(fù)載設(shè)備通斷過程中，會導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)浪涌電壓。這種電壓波動雖然不會影響自動化儀表的硬件設(shè)備，但是可能會導(dǎo)致設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂，產(chǎn)生無動作或者數(shù)據(jù)錯誤等問題。如果不能采取有效的電磁兼容技術(shù)進(jìn)行防治，勢必導(dǎo)致自動化設(shè)備出現(xiàn)損傷，縮短其使用壽命，增加后期維護(hù)保養(yǎng)成本。

第二，導(dǎo)致浪涌出現(xiàn)的另一個主因是雷電天氣。近年來，因雷電導(dǎo)致電子設(shè)備出現(xiàn)損壞的事件屢見不鮮，雖然很多企業(yè)和工廠都加強(qiáng)了防雷電裝置的設(shè)計，但是雷電造成設(shè)備軟損傷的情況依然層出不窮。

2.3 靜電（ESD）干擾

所謂靜電干擾，就是自動化儀表運(yùn)行過程中，因操作人員本身所攜帶的靜電電荷造成設(shè)備系統(tǒng)紊亂，嚴(yán)重時可能擊穿硬件設(shè)備，導(dǎo)致自動化儀表故障頻發(fā)。

2.4 電快速瞬變脈沖群

對自動化儀表而言，當(dāng)電感性負(fù)載短時間出現(xiàn)多次斷開和接通操作時，可能導(dǎo)致脈沖群短時間內(nèi)多次出現(xiàn)，對設(shè)備開關(guān)產(chǎn)生巨大影響，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)電磁兼容問題，無法正常工作。

2.5 其他電磁設(shè)備的干擾

部分設(shè)備具有一定的對外輻射性，例如無線電廣播、無線電收發(fā)機(jī)等。這些設(shè)備在工作過程中會發(fā)出一定輻射，影響周圍自動化儀表的正常工作。

3 實(shí)例分析自動化儀表的電磁兼容設(shè)計

載流X熒光分析儀是選礦生產(chǎn)的重要自動化儀表設(shè)備之一，但由于選礦廠的多種大型設(shè)備同時運(yùn)行，工作環(huán)境中充斥著大量的電磁干擾，導(dǎo)致設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)通信中斷問題。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，主要由于浪涌電壓、ESD以及電快速脈沖群等電磁干擾，導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行。

3.1 電快速瞬變脈沖群干擾試驗(yàn)

為了檢查電快速瞬變脈沖群是否導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)通信中斷故障，本實(shí)驗(yàn)測試了自動化儀表設(shè)備的電源端口和信號線，基于±2 000 V的測試電壓，重復(fù)頻率約為5kHz，每300 ms重復(fù)一次。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來看，相關(guān)測試結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，證明設(shè)備運(yùn)行過程中沒有受到電快速瞬變脈沖群的影響[3]。

3.2 ESD電磁干擾試驗(yàn)

通過對自動化儀表設(shè)備的外殼、串口螺釘進(jìn)行ESD電磁干擾測試，基于±800 V空氣放電測試電壓和±6 000 V的接觸放電測試電壓，10次放電均未發(fā)現(xiàn)ESD電磁干擾問題。

3.3 其他射頻設(shè)備輻射干擾試驗(yàn)

針對設(shè)備的電源線和通信線進(jìn)行射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)，基于10 V/m的測試電壓，頻率為80～150kHz。經(jīng)過測試，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常情況，說明設(shè)備未因其他射頻設(shè)備的輻射干擾出現(xiàn)通信中斷故障。

3.4 浪涌電磁干擾試驗(yàn)

針對自動化儀表設(shè)備的電源線、通信線進(jìn)行浪涌電磁干擾試驗(yàn)，基于±1 000 V的測試電壓，采用差模注入方式。測試發(fā)現(xiàn)，電源線存在明顯的電磁干擾故障，說明導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)電磁兼容性問題的主因在于浪涌電磁干擾。

通過進(jìn)一步測試發(fā)現(xiàn)，涌浪電磁干擾對設(shè)備的影響是一個累積的過程。載流X熒光分析儀在工作中雖然出現(xiàn)了通信中斷故障，但重新通電后設(shè)備可以正常工作。試驗(yàn)過程中，通信出現(xiàn)中斷后，重新通電后設(shè)備無法正常運(yùn)行，更換電源模塊后設(shè)備恢復(fù)正常，說明涌浪電磁干擾不僅會影響設(shè)備的正常運(yùn)行，而且會導(dǎo)致設(shè)備硬件出現(xiàn)故障。普通濾波器無法有效抵抗浪涌的高能量沖擊，必須采用專用的浪涌抑制器件（如圖1所示）。通過與電源模塊并聯(lián)設(shè)置，吸收和轉(zhuǎn)移超出設(shè)備承受能力之外的電壓，達(dá)到保護(hù)設(shè)備、提高設(shè)備電磁兼容性的目的。

圖1 增設(shè)浪涌抑制器后的設(shè)備布置

通過設(shè)置浪涌抑制器，大大提高了自動化儀表的浪涌抵抗能力。經(jīng)過連續(xù)半年的現(xiàn)場考察，整改后的載流X熒光分析儀在運(yùn)行過程中未出現(xiàn)通信中斷故障。

4 結(jié) 論

綜上所述，電磁干擾會對自動化儀表的正常運(yùn)行造成巨大危害，嚴(yán)重影響了工業(yè)生產(chǎn)的自動化、智能化發(fā)展。相關(guān)工作者必須重視電磁兼容設(shè)計分析，不僅要在產(chǎn)品設(shè)計階段對產(chǎn)品的元器件、電路板、外殼以及配線等進(jìn)行科學(xué)合理的抗干擾設(shè)計，而且要積極研究各種電磁干擾源的運(yùn)行原理，通過科學(xué)試驗(yàn)找出影響設(shè)備運(yùn)行的原因，并采取有效的技術(shù)手段提高自動化儀表的電磁兼容性，確保設(shè)備健康良性運(yùn)行。