抗干擾的接地處理及屏蔽處理

抗干擾的接地處理及屏蔽處理抗干擾接地處理的主要內(nèi)容：（1）避開地環(huán)電流的干擾；（2）降低公共地線阻抗的耦合干擾。“一點(diǎn)接地”有效地避開了地環(huán)電流；而在“一點(diǎn)接地”前提下，并聯(lián)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(yè)控制系統(tǒng)采用的最基本的接地方法。工業(yè)控制系統(tǒng)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(tǒng)的基準(zhǔn)電位。它可以懸浮，但要求與大地嚴(yán)格絕緣。通常，其絕緣電阻要達(dá)到50MQ以上。直流地懸浮隔離了交流地網(wǎng)的干擾，經(jīng)濟(jì)簡便，工程中經(jīng)常使用。直流地懸浮的缺點(diǎn)是機(jī)器容易帶靜電，如果該靜電電位過高，會(huì)損壞器件，擊傷操作人員等等；而且，如果這時(shí)直流地與大地的絕緣電阻減小，可能會(huì)產(chǎn)生很多原先沒有想到的干擾。直流地接大地，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，要埋設(shè)一個(gè)不大于4Q的獨(dú)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(guān)系。工業(yè)控制機(jī)所操作的各種輸入輸出信號(hào)之間接地是否合理，不只是形成相互耦合干擾的問題，有時(shí)還危及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。在實(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)中，各種通道的信號(hào)頻率大多在1MHz內(nèi)，屬于低頻范圍。因此，談?wù)劦皖l范圍的接地。串聯(lián)接地在串聯(lián)接地方式中，各電路各有一個(gè)電流i1、i2、i3等流向接地點(diǎn)。由于地線存在電阻，因此，每個(gè)串聯(lián)接點(diǎn)的電位不再是零，于是各個(gè)電路間相互發(fā)生干擾。尤其是強(qiáng)信號(hào)電路將嚴(yán)重干擾弱信號(hào)電路。如果必須要這樣使用，應(yīng)當(dāng)盡力減小公共地線的阻抗，使其能達(dá)到系統(tǒng)的抗干擾容限要求。串聯(lián)的次序是：最怕干擾的電路的地應(yīng)最接近公共地，而最不怕干擾的電路的地可以稍遠(yuǎn)離公共地。并聯(lián)接地并聯(lián)接地方式：在工業(yè)控制機(jī)中的模擬通道和數(shù)字通道采用并聯(lián)接地。并聯(lián)接地中各個(gè)電路的地電位只與其自身的地線阻抗和地電流有關(guān)，互相之間不會(huì)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(yè)控制機(jī)應(yīng)當(dāng)盡量采用并聯(lián)接地方式。值得注意的是，雖然采用了并聯(lián)接地方式，但是地線仍然要粗一些，以使各個(gè)電路部件之間的地電位差盡量減小。這樣，當(dāng)各個(gè)部件之間有信號(hào)傳送時(shí)，地線環(huán)流干擾將減小。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾來源是多渠道的，針對(duì)不同的項(xiàng)目和不同的現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)該有不同的處理方法。屏蔽和接地是由工控系統(tǒng)開發(fā)者操作的一項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容。能否正確設(shè)計(jì)和利用它們，不僅關(guān)系到系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行、良好地抑制干擾，而且是工控項(xiàng)目開發(fā)者是否成熟的重要標(biāo)志。工控系統(tǒng)的屏蔽處理工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力線路密布，設(shè)備啟停運(yùn)轉(zhuǎn)繁忙，因此存在嚴(yán)重的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾。而工業(yè)控制系統(tǒng)又有幾十乃至幾百個(gè)甚至更多的輸入輸出通道分布在其中，導(dǎo)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(xiàn)為電容性耦合、電感性耦合、電磁場(chǎng)輻射三種形式。在工業(yè)控制系統(tǒng)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(duì)電路主要造成共模形式的干擾。眾所周知，地球是一個(gè)靜電容量很大的導(dǎo)體，其電位非常恒定。如果把一個(gè)導(dǎo)體與大地緊密連接，那么該導(dǎo)體的電位也是恒定的。我們把它的電位叫作零電位，它是電位的參考點(diǎn)。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(dāng)有電流經(jīng)該導(dǎo)體入地時(shí)，它的電位就有波動(dòng)。于是，不同的接地點(diǎn)之間會(huì)有電位差。當(dāng)我們用一根導(dǎo)線連接不同的接地點(diǎn)時(shí)，在導(dǎo)線中就可能有電流流動(dòng)，這稱為地環(huán)電流。接地抗干擾技術(shù)就是解決以地環(huán)電流為中心的一系列技術(shù)問題。電場(chǎng)耦合的屏蔽和抑制技術(shù)克服電場(chǎng)耦合干擾最有效的方法是屏蔽。因?yàn)榉胖迷诳招膶?dǎo)體或者金屬網(wǎng)內(nèi)的物體不受外電場(chǎng)的影響。請(qǐng)注意，屏蔽電場(chǎng)耦合干擾時(shí)，導(dǎo)線的屏蔽層最好不要兩端連接當(dāng)?shù)鼐€使用。因在有地環(huán)電流時(shí)，這將在屏蔽層形成磁場(chǎng)，干擾被屏蔽的導(dǎo)線。正確的作法是把屏蔽層單點(diǎn)接地，一般選擇它的任一端頭接地。造成電場(chǎng)耦合干擾的原因是兩根導(dǎo)線之間的分布電容產(chǎn)生的耦合。當(dāng)兩導(dǎo)線形成電場(chǎng)耦合干擾時(shí)，導(dǎo)線1在導(dǎo)線2上產(chǎn)生的對(duì)地干擾電壓VN為：V1和3是干擾源導(dǎo)線1的電壓和角頻率；R和C2G是被干擾導(dǎo)線2的對(duì)地負(fù)載電阻和總電容；C12是導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的分布電容。從式(2)可以看出，在干擾源的角頻率3不變時(shí)，要想降低導(dǎo)線2上的被干擾電壓VN,應(yīng)當(dāng)減小導(dǎo)線1的電壓V1，減小兩導(dǎo)線之間的分布電容C12，減小導(dǎo)線2對(duì)地負(fù)載電阻R以及增大導(dǎo)線2對(duì)地的總電容C2G。在這些措施中，可操作性最好的是減小兩導(dǎo)線之間的分布電容C12。即采用遠(yuǎn)離技術(shù)：弱信號(hào)線要遠(yuǎn)離強(qiáng)信號(hào)線敷設(shè)，尤其是遠(yuǎn)離動(dòng)力線路。工程上的“遠(yuǎn)離”概念，通常取干擾導(dǎo)線直徑的40倍，即認(rèn)為足夠了。同時(shí)，避免平行走線也可以減小C12。磁場(chǎng)耦合的抑制技術(shù)抑制磁場(chǎng)耦合干擾的好辦法應(yīng)該是屏蔽干擾源。大電機(jī)、電抗器、磁力開關(guān)和大電流載流導(dǎo)線等等都是很強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾源。但把它們都用導(dǎo)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(dòng)的抑制技術(shù)。當(dāng)回路1對(duì)回路2造成磁場(chǎng)耦合干擾時(shí)，其在回路2上形成的串聯(lián)干擾電壓VN為：VN=j3BAcosB(3)，式中，3是干擾信號(hào)的角頻率；B是干擾源回路1形成的磁場(chǎng)鏈接至回路2處的磁通密度；A為回路2感受磁場(chǎng)感應(yīng)的閉合面積，0是和兩個(gè)矢量的夾角?？梢钥闯觯诟蓴_源的角頻率3不變時(shí)，要想降低干擾電壓VN,首先應(yīng)當(dāng)減小B。對(duì)于直線電流磁場(chǎng)來說，B與回路1流過的電流成正比，而與兩導(dǎo)線的距離成反比。因此，要有效抑制磁場(chǎng)耦合干擾，仍然是遠(yuǎn)離技術(shù)。同時(shí)，也要避免平行走線。屏蔽線的使用屏蔽線的接地有三種情況，即：單端接地方式、兩端接地方式、屏蔽層懸浮(。1)單端接地方式：假設(shè)信號(hào)電流i1從芯線流入屏蔽線，流過負(fù)載電阻RL之后，再通過屏蔽層返回信號(hào)源。因?yàn)閕1與i2大小相等方向相反，所以它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾相互抵消。這是一個(gè)很好的抑制磁場(chǎng)干擾的措施。同時(shí)它也是一個(gè)很好的抵制磁場(chǎng)耦合干擾的措施。(2)兩端接地方式：由于屏蔽層上流過的電流是i2與地環(huán)電流iG的迭加，所以它不能完全抵消信號(hào)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾。因此，它抑制磁場(chǎng)耦合干擾的能力也比單端接地方式差。單端接地方式與兩端接地方式都有屏蔽電場(chǎng)耦合干擾作用。（3）屏蔽層懸?。褐挥衅帘坞妶?chǎng)耦合干擾能力，而無抑制磁場(chǎng)耦合干擾能力。4.雙絞線的使用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(chǎng)干擾可以相互抵消。雙絞線的結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)耦合干擾的抑制毫無能力。當(dāng)給雙絞線加上屏蔽層后，一個(gè)價(jià)廉物美的傳輸線就誕生了。根據(jù)國外專家的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，屏蔽層接地方法不同對(duì)磁場(chǎng)干擾的抑制dB數(shù)也不同。（1）單端接地方式，對(duì)磁場(chǎng)干擾具有高達(dá)55dB的衰減能力?？梢?，雙絞線確實(shí)有很好的效果。（2）兩端接地方式，地線阻抗與信號(hào)線阻抗不對(duì)稱，地環(huán)電流造成了雙絞線電流不平衡，因此降低了雙絞線抗磁場(chǎng)干擾的能力，只有13dB的磁場(chǎng)干擾衰減能力。（3）使用屏蔽雙絞線，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(hào)電流，所以它的屏蔽層只有抗電場(chǎng)干擾能力，而無抑制磁場(chǎng)耦合干擾能力。與單端接地方式一樣衰減55dB。（4）屏蔽層單端接地，而另一端又與負(fù)載冷端相連，因此它具有兩端接地方式的效果，但它的屏蔽層上的電流由于被雙絞線中的一根分流，又比兩端接地方式稍差。具有77dB的衰減。（5）屏蔽層雙端接地，具有一定的抑制磁場(chǎng)耦合干擾能力，加上雙絞線本身的作用，因此具有63dB的衰減。（6