控制系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)論文
隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展和電路集成化程度的提高，單位面積內(nèi)大規(guī)模集成芯片元器件數(shù)越來(lái)越多，所傳遞的信號(hào)電流也越來(lái)越小，系統(tǒng)的供電電壓也越來(lái)越低，現(xiàn)已降到5V、3V乃至1.8V。因此，芯片對(duì)外界的干擾也越趨敏感，所以顯示出來(lái)的抗干擾能力也就越來(lái)越低。
想要提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，我們除了在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)本體的時(shí)候提髙其抗千擾能力之外更重要的是如何提高控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用時(shí)的抗干擾技術(shù)，例如對(duì)噪聲的產(chǎn)生以及噪聲在傳播途徑中加以有效的抑制等等。
1電纜的靜電屏蔽和電磁屏蔽
在控制系統(tǒng)中線纜非常重要因?yàn)樗诳刂葡到y(tǒng)中最長(zhǎng)，容易通過(guò)近場(chǎng)的耦合干擾控制系統(tǒng)，并且它還像一根拾取和輻射噪聲的天線。所以用屏蔽來(lái)抑制線纜的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)是抗干擾的方法之一。
1.1電容性耦合的抑制
靜電屏蔽：當(dāng)受感應(yīng)導(dǎo)線的外層包上屏蔽層以后那么感應(yīng)的噪聲電壓便作用在屏蔽層上，我們?cè)跒槠帘螌犹峁┮粋�(gè)良好的接地那么屏蔽層上的電壓為零所以受感應(yīng)導(dǎo)體上的噪聲電扭也為零，所以有效的抑制了電場(chǎng)的耦合。所以我們?cè)诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)論是電源電纜或是信號(hào)電纜都應(yīng)采用屏蔽電纜。
1.2電感性耦合的抑制
電感性耦合即為線路間磁場(chǎng)的相互作用。在這里我們主要談?wù)劜捎秒姶牌帘�，包括雙絞電纜和同軸電纜的使用。
(1)對(duì)作為噪聲源的導(dǎo)線施行電磁屏蔽
如果我們對(duì)一段導(dǎo)線增加屏蔽那么電流流過(guò)后，全部通過(guò)導(dǎo)體的屏蔽體返回到干擾源。由于流過(guò)屏蔽體上的電流產(chǎn)生磁通量，且與導(dǎo)體產(chǎn)生的磁通量大小相等方向相反，這樣在屏蔽體的外面，不存在磁通量，既這段導(dǎo)線被屏蔽了。但是在低頻時(shí)不宜兩端接地。
(2)對(duì)作為信號(hào)線路施行電磁屏蔽。
信號(hào)線路防外界磁場(chǎng)干擾的最好方法是減少接收環(huán)路的面積以減少干擾磁場(chǎng)對(duì)接收環(huán)路產(chǎn)生的磁通量密度。對(duì)于減少接收環(huán)路面積只有加屏蔽體兩端接地才可以做到，才有電磁屏蔽作用，但是這種情況下電流的頻率不宜太低。
(3)雙絞的電磁屏蔽原理及應(yīng)用。
雙絞線本身是一種電磁屏蔽形式。
對(duì)作為噪聲源的導(dǎo)線實(shí)施電磁屏蔽的原理圖。當(dāng)雙絞線中有電流流過(guò)時(shí)在導(dǎo)線絞合所組成的很小的環(huán)路內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的磁通。而在環(huán)路外由于兩邊導(dǎo)線流過(guò)的電流方向相反，產(chǎn)生的磁通方向相反從而大部分磁通被抵消。這種方式常用于供電線路上。
對(duì)信號(hào)線實(shí)施電磁屏蔽。
圖2是雙絞線信號(hào)線實(shí)施電磁屏蔽的原理圖。當(dāng)雙絞線在噪聲的磁通中每根導(dǎo)線均被感應(yīng)出感應(yīng)電流，其感應(yīng)方向如圖2所示。這樣同一根導(dǎo)線在相鄰兩個(gè)環(huán)的兩段上流過(guò)的感應(yīng)電流大小相等方向相反，從而被抵消。所以在總的效果上，導(dǎo)線并沒(méi)有產(chǎn)生感應(yīng)電流。
(4)同軸電纜和屏蔽雙絞線。
同軸電纜是一種用金屬編織網(wǎng)作屏蔽的電纜，在很大的范圍內(nèi)，具有均勻不變的低損耗的特性阻抗，可用于高頻乃之超髙頻的頻段。無(wú)論是屏蔽雙絞線，或者同軸電纜，為了抑制電容性耦合，一般是單端接地，通常是在控制室側(cè)接地。
2控制系統(tǒng)的接地
從電氣角度來(lái)看，大地具有導(dǎo)電性且有無(wú)限大的容電量，所以我們可以把大地作為一個(gè)等電位點(diǎn)或者等電位面。接地的作用有兩點(diǎn)：(1)保護(hù)人身和設(shè)備安全，如保護(hù)地、防雷地、防靜電等。(2)抑制干擾，如工作地、屏蔽地、模擬地、數(shù)字地等。
下面我們來(lái)分析幾個(gè)例子。
2.1不屏蔽接地干線會(huì)帶來(lái)干擾
現(xiàn)象：有DCS系統(tǒng)采用單獨(dú)接地，但信號(hào)總是不穩(wěn)定。
原因：經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，其接地干線長(zhǎng)數(shù)十米，從樓頂沿外墻敷設(shè)到接地體，沒(méi)有穿管屏蔽，過(guò)長(zhǎng)的接地干線，如果沒(méi)有屏蔽措施，接地干線也象是一根天線，可以接受大量的干擾信號(hào)，使控制系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定工作，乃至系統(tǒng)卡被燒毀。
結(jié)論：接地干線應(yīng)愈短愈好，必要時(shí)也應(yīng)該采取屏蔽措施
2.2和其它接地系統(tǒng)要保持一定距離現(xiàn)象：某DCS采用單獨(dú)接地，發(fā)現(xiàn)信號(hào)干擾很大。
原因:DCS系統(tǒng)的單獨(dú)接地體和原有的接地網(wǎng)相距不到5m。
結(jié)論：若DCS采用單獨(dú)接地，其接地體和電氣接地網(wǎng)相距必須大于5m，和防雷接地體相距必須大于20m。
2.3等電位接地也要考慮接地引入點(diǎn)的位置
現(xiàn)象：有DCS系統(tǒng)采用等電位接地，但信號(hào)中常常出現(xiàn)信號(hào)不規(guī)則的波形。
原因：離DCS的接地引入點(diǎn)不到幾米處有大功率電動(dòng)機(jī)的接地點(diǎn)。
結(jié)論：要保持和防雷地、大電流髙電壓設(shè)備的接地點(diǎn)有不小于10m的距離。
3控制系統(tǒng)的.雷電防護(hù)
(1)雷電對(duì)控制系統(tǒng)侵害的途徑：靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、反擊、電磁場(chǎng)輻射等。
(2)雷電電脈沖的基本防護(hù)措施：①屏蔽：屏蔽分為電纜的屏蔽和控制
室的屏蔽。第一，電纜的屏蔽：許多行業(yè)規(guī)范對(duì)屏蔽電纜的接地，原則上是一端接地另一端不接地。但是單端接地只能防靜電感應(yīng)抑制不了電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的干擾。所以延伸出了信號(hào)傳輸線的雙層屏蔽，電纜采用雙層屏蔽，兩個(gè)屏蔽層的層與層之間是絕緣的，內(nèi)層單端接地，抑制電容性耦合;外層兩端或多端接地，抑制電感性耦合。雙層屏蔽電纜的外屏蔽層可采用下述方法實(shí)現(xiàn)：鎧裝電纜的鎧裝層;敷設(shè)電纜的金屬線槽、金屬管等;鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電纜溝。第二，控制室的屏蔽：控制室的屏蔽方式大體有建筑物的自身屏蔽、金屬網(wǎng)格的格柵型大空間屏蔽以及金屬板材圍成的殼體屏蔽等。殼體屏蔽的屏蔽效果最好，但投資也很大，適用于實(shí)驗(yàn)室裝置。建筑物自身對(duì)屏蔽也有一定的效果，但效果不理想。而格柵型大空間的屏蔽可以通過(guò)選擇網(wǎng)格寬度的大小來(lái)滿足控制系統(tǒng)的需要，平衡投資的大小和效果的好壞，格柵型大空間的屏蔽最為理想。②合理布線：A減少感應(yīng)環(huán)路面積以減小互感，從而抑制干擾的電感性耦合。B和引下線保持一定距離。③浪涌保護(hù)器：浪涌保護(hù)器是一種限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分流浪涌電流的器件。其基本原理是，它并接在被保護(hù)設(shè)備的附近，在沒(méi)有浪涌出現(xiàn)時(shí)為高阻抗，當(dāng)出現(xiàn)浪涌時(shí)就在很短的時(shí)間內(nèi)(ns級(jí))將雷電流釋放到地使浪涌保護(hù)器變?yōu)榈妥杩�，從而保護(hù)了被保護(hù)設(shè)備。④接地和等電位連接：防雷工程的接地系統(tǒng)用于雷電流的釋放;抑制雷電電磁脈沖的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng);將分開(kāi)的儀表裝置通過(guò)等電位連接，以減少控制系統(tǒng)的設(shè)備在金屬構(gòu)件與設(shè)備之間或設(shè)備與設(shè)備之間因雷擊產(chǎn)生的電位差。
4控制室的靜電防護(hù)
靜電在工程中的應(yīng)用：靜電除塵、靜電噴涂、靜電凈化、靜電復(fù)印等。
4.1靜電放電的特點(diǎn)
(1)由于靜電放電的時(shí)間是ns級(jí)的峰值電流可達(dá)數(shù)十安培，所以說(shuō)瞬間的功率十分巨大。(2)由于電流波形的上升時(shí)間很短，即di/dt很大，所以可以感應(yīng)出幾百伏乃至上千伏的高電位，從而產(chǎn)生出強(qiáng)電場(chǎng)。由于電流脈沖上升時(shí)間極快，持續(xù)時(shí)間極短，所以產(chǎn)生的靜電放電電磁脈沖其能量足以使電子部件中敏感元件損壞。
4.2控制室靜電防護(hù)的基本措施
防止控制系統(tǒng)和電路不受靜電放電的干擾和破壞，控制室的設(shè)計(jì)即靜電防護(hù)工作區(qū)的建立應(yīng)采取的基本方法，一般有：
(1)抑制千擾源，減小或消除源頭上的靜電積累。防止靜電的產(chǎn)生是最徹底的方法，從產(chǎn)生靜電的原理看，應(yīng)該從降低有關(guān)物體的絕緣度著手，使兩物體即使摩擦也不產(chǎn)生或少產(chǎn)生靜電。(2)鋪設(shè)具有-定電阻率的防靜電地面，它不僅可以導(dǎo)出人體靜電，也為活動(dòng)的設(shè)備提供了靜電接地的條件。(3)操作人員宜穿防靜電制服。防靜電制服通常是由導(dǎo)電纖維或經(jīng)抗靜電改性的織物制成。用于防止人體靜電的積累。(4)操作人員穿防靜電鞋也是一種可行的措施。因?yàn)槿耸菍?dǎo)體，在人體靜電防護(hù)中最主要的措施是保證人體始終靜電接地。(5)控制柜以及電纜的屏蔽層都必須保持良好的接地。(6)設(shè)置溫、濕度控制。
上述諸措施中，控制控制室的溫度和濕度和防靜電地面的設(shè)置和接地必須在控制室的設(shè)計(jì)階段提前考慮。
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