淺談工業(yè)現(xiàn)場信號干擾及處理措施

暴振嶺

摘 要 本文主要分析了工業(yè)現(xiàn)場的干擾信號的來源及傳播途徑，并對干擾類型進(jìn)行了分類，針對不同特點的干擾形式，列出了所需要采用的相應(yīng)抑制方法及措施，通過對屏蔽、接地、隔離、濾波、信號傳遞等抗干擾措施的分析及應(yīng)用，為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備減少干擾提供了經(jīng)驗和參考。

關(guān)鍵詞 干擾;電磁;接地;屏蔽;隔離

前言

電子電氣技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到社會的各個角落，工業(yè)生產(chǎn)中的自動化控制及儀表檢測系統(tǒng)更是與電子技術(shù)密不可分。然而，由于電子電氣技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電子電氣設(shè)備越來越多，越來越復(fù)雜，致使電磁環(huán)境也越來越惡劣。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，空間中彌漫著的各種無用電磁信號會給設(shè)備帶來莫名其妙的故障，而這些由于干擾引起的故障也讓維護(hù)人員難以下手，處理起來甚是頭疼。所以，在工業(yè)生產(chǎn)中，抗干擾工作具有重要的意義。

1干擾的產(chǎn)生與傳播

在工業(yè)生產(chǎn)中，有許許多多的工藝參數(shù)，諸如：壓力、流量、溫度、重量、液位等等，它們的測量基本上由檢測、信號放大及處理、顯示及輸出三部分組成。而檢測到的信號在通過多次轉(zhuǎn)換和處理的過程中，往往會摻雜進(jìn)一些與測量信號無關(guān)的電壓或電流。這種與測量信號無關(guān)的電壓或電流信號，我們稱之為“干擾”信號，或稱“噪聲”。

1.1 干擾的來源

產(chǎn)生干擾信號的干擾源一般可分為外部干擾和內(nèi)部干擾兩種。外部干擾來自系統(tǒng)的外部：①自然干擾：各種自然現(xiàn)象，如：閃電、射線、雷擊、環(huán)境變化等均會產(chǎn)生自然干擾。②各種電氣設(shè)備運行產(chǎn)生電磁干擾：如電網(wǎng)波動、大型用電設(shè)備的啟停、變頻器運行等。內(nèi)部干擾來自系統(tǒng)的內(nèi)部，主要是指測量電路內(nèi)部電子元器件的噪聲所引起的干擾。如：電感線圈、分布電容、多點接地造成的電位差等。

1.2 干擾的傳播

（1）干擾的作用途徑：干擾進(jìn)入設(shè)備的途徑分為兩類：即傳導(dǎo)和輻射。①傳導(dǎo)干擾：干擾信號從導(dǎo)線及公共阻抗進(jìn)入電路。②輻射干擾：干擾信號通過空間電磁波輻射傳播。這兩種干擾傳播方式可能會互相轉(zhuǎn)換，傳導(dǎo)干擾可通過導(dǎo)線形成輻射干擾，而輻射干擾又可以通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)換成為傳導(dǎo)干擾。

（2）電磁干擾的耦合方式種類：①靜電耦合：干擾信號通過分布電容進(jìn)行傳遞稱為靜電耦合。系統(tǒng)內(nèi)部各導(dǎo)線之間，印刷線路板的各線條之間，變壓器線匝之間的繞組之間以及元件之間、元件與導(dǎo)線之間都存在著分布電容。具有一定頻率的干擾信號通過這些分布電容提供的電抗通道穿行，會對系統(tǒng)形成干擾。②電磁耦合：電磁耦合是指在空間磁場中電路之間的互感耦合。因為任何載流導(dǎo)體都會在周圍的空間產(chǎn)生磁場，而交變磁場又會在周圍的閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，所以這種電磁耦合總是存在的，只是強弱程度不同而已。③公共阻抗耦合：公共阻抗耦合是指有多個電路的電流同時流經(jīng)同一公共阻抗時所產(chǎn)生的相互影響。例如：系統(tǒng)中往往是多個電路共同使用一個電源，各電路的電流必然會流經(jīng)電源內(nèi)阻及線路電阻，成為各電路的公共阻抗。每個電路的電流都會在公共阻抗上造成壓降，將成為其他電路的干擾信號。④漏電耦合：由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻的漏電流所引起的干擾叫作漏電流耦合。漏電流耦合經(jīng)常發(fā)生在儀表測量較高的直流電壓時;在檢測裝置附近有較高的直流電壓源時，在高輸入阻抗的直流放大器中。⑤電磁輻射耦合：各種大功率的中高頻發(fā)生裝置，各種電火花以及電臺、電視臺、信號塔等產(chǎn)生的高頻電磁波不斷向周圍空間輻射，形成電磁輻射干擾。雷電和宇宙空間也會有電磁波干擾信號[1]。

2干擾的抑制技術(shù)及措施

在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及應(yīng)用時，除了對重要干擾源進(jìn)行抑制外，更多的則是在產(chǎn)品內(nèi)設(shè)法抑制外來干擾，以保證系統(tǒng)可靠工作。抑制干擾的技術(shù)措施主要包括：屏蔽、接地、隔離、濾波、浮置及平衡電路以及合理的信號傳輸方式等。

2.1 屏蔽

屏蔽技術(shù)是利用導(dǎo)電或者導(dǎo)磁材料制成的盒狀或殼狀的屏蔽體，將干擾源或保護(hù)對象包圍起來，起到隔斷或削弱電磁場的耦合通道的技術(shù)措施。屏蔽又可細(xì)分為：靜電屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽、驅(qū)動屏蔽等。我們在電子板卡中常見的金屬罩，電纜線路穿在金屬管路中都屬于屏蔽措施。

2.2 接地

在抗干擾技術(shù)措施中接地是與屏蔽緊密相關(guān)的，無論是電纜屏蔽還是屏蔽罩都必須有一個適當(dāng)?shù)慕拥攸c，才能有效地抑制干擾。常用的接地方案有：①一點接地：如果一個測量系統(tǒng)中分別設(shè)有信號地線，又有交流電氣地線和安全保護(hù)地線時，則需要將三種地線連在一起，再通過一點接地，這就是一點接地。采用一點接地，可避免兩點接地因地電位差造成嚴(yán)重干擾。②信號導(dǎo)線屏蔽層一點接地：信號導(dǎo)線必須屏蔽且屏蔽層接地，否則無法抑制串模干擾，而且屏蔽層也應(yīng)一點接地。屏蔽層接地有兩個原則：當(dāng)有一個不接地的信號源與一個接地的放大器相連接時，信號導(dǎo)線屏蔽層應(yīng)接放大器的公共端;當(dāng)一個接地的信號源與不接地的放大器連接時，信號導(dǎo)線屏蔽層應(yīng)接至信號源的公共端。③多點接地：多點接地所需地線較多，一般適用于低頻信號。若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合反而會增加干擾。

2.3 隔離措施

隔離是指把干擾源與接收系統(tǒng)隔離開來，使有用信號正常傳輸，而干擾耦合通道被切斷，以達(dá)到抑制干擾的目的。常見的隔離方法有：加大物理距離、光電信號隔離、變壓器隔離、繼電器隔離和隔離放大器隔離等。

在工業(yè)現(xiàn)場最常見的隔離措施中，加大物理距離最容易實現(xiàn)，使干擾源與干擾對象盡可能遠(yuǎn)離，檢測信號線路遠(yuǎn)離具有干擾特性的設(shè)備或線路，避免干擾信號竄入。弱信號線與強信號線以及電源線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離;直流信號線與交流信號線應(yīng)遠(yuǎn)離;可能引起寄生耦合的線路，嚴(yán)禁平行走線，彼此應(yīng)盡量遠(yuǎn)離;低電平信號地線、交流電源地線和金屬機殼地線應(yīng)分開設(shè)置，最后集中一點接地。

儀表檢測模擬量信號，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用仍然較多，模擬量信號很容易受到干擾，除了信號線路采用屏蔽措施外，最常用的抗干擾措施就是在信號末端加裝隔離器，剔除無用信號。長距離傳輸開關(guān)量信號時，也盡量采用繼電隔離器，防止線路中累積干擾電壓過大引起設(shè)備誤動。

2.4 濾波技術(shù)

濾波技術(shù)用來抑制沿導(dǎo)線傳輸?shù)膫鲗?dǎo)干擾，主要用于電源和信號線干擾抑制，常用于抑制中低頻干擾，抑制的頻率一般在300MHz以下。濾波器一般由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構(gòu)成的頻率選擇器件，可以接入到傳輸線路中，抑制不需要的頻率傳播。濾波的方法分為：①電源干擾抑制：采用電源濾波器抑制電源傳輸電磁干擾，它不僅可以阻止電網(wǎng)中的噪聲進(jìn)入設(shè)備，也可以抑制設(shè)備產(chǎn)生的噪聲污染電網(wǎng)。采用吸收型濾波器抑制電源線中的快速瞬變脈沖串干擾。鐵氧體是一種磁性材料，由鐵、鎳、鋅氧化物混合而成，鐵氧體一般做成中空形，導(dǎo)線穿過其中，當(dāng)導(dǎo)線中的電流穿過鐵氧體時，低頻電流幾乎可以無衰減通過，但高頻電流會受到很大的損耗。②感性負(fù)載加吸收電路抑制瞬態(tài)噪聲：系統(tǒng)中的感性負(fù)載在關(guān)斷時會產(chǎn)生強烈的脈沖干擾，影響其他電路工作，必須在感性負(fù)載處加吸收電路抑制瞬態(tài)噪聲，可以并聯(lián)電阻、壓敏電阻、穩(wěn)壓二極管等吸收回路，實際應(yīng)用中，RC吸收回路應(yīng)用較多，抑制效果也較好，一般在感性負(fù)載側(cè)進(jìn)行安裝。③軟件濾波：用軟件來識別有用信號和干擾信號并過濾掉干擾信號的方法。可以利用PLC、DCS等編程軟件或其他軟件對可能出現(xiàn)的干擾信號進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到出現(xiàn)干擾信號時按照制定的程序?qū)⒏蓴_消除或忽略，達(dá)到系統(tǒng)工作正常的目的。

2.5 浮置及平衡電路

浮置又稱浮地、浮空、浮接，它指的是測量系統(tǒng)的輸入信號放大器公共線不接機殼或大地。對于被浮置的測量系統(tǒng)，測量電路與機殼或大地之間無直接聯(lián)系，可有效提高抗共模干擾能力。平衡電路也可以有效提高測量系統(tǒng)的抗共模干擾能力。平衡電路包括：負(fù)載平衡、信號源平衡和信號導(dǎo)線平衡。

2.6 合理的信號傳輸方式

在設(shè)計系統(tǒng)時選擇抗干擾性強的信號傳遞技術(shù)，可大幅降低干擾的可能。①優(yōu)先采用數(shù)字型與電流型信號：數(shù)字信號的抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于模擬信號;電流型信號在傳輸通路中不會出現(xiàn)在同一回路中各點電流大小不一致的問題，有很強的抗感應(yīng)式干擾的能力。②采用光纖作為傳輸介質(zhì)傳遞信號：以光波的形式傳遞信號，可以從根本上杜絕信號在傳輸過程中所受干擾。③使用絞線：絞線的絞扭節(jié)距把信號線分隔成許多小回路，如果雙絞線的絞扭一致，那么這些小回路的面積相等而方向相反，因此其磁場干擾可以相互抵消[2]。

3結(jié)束語

工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，各種電、磁場分布復(fù)雜，給正常生產(chǎn)中的電氣儀表自動化設(shè)備帶來不可預(yù)料的干擾影響，抗干擾已成為電氣自動化及儀表檢測維護(hù)人員不可忽視的一項重要工作內(nèi)容。只要綜合考慮各方面的因素，掌握了干擾的特性，運用科學(xué)的手段，就可以合理有效地抑制干擾，使電氣控制及檢測系統(tǒng)可靠工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐義亨.工業(yè)控制工程中的抗干擾技術(shù)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2010：1-18.

[2] 何世峰.工業(yè)現(xiàn)場系統(tǒng)信號的干擾及抗干擾措施[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008，22（1）：46-49.