11. 计算机控制系统抗干扰设计.

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1 11. 计算机控制系统抗干扰设计

2 一、干扰的定义 电磁干扰 机械干扰 热干扰 光干扰 湿度干扰 化学干扰 工频噪声 放电噪声 电压波动 尖峰脉冲 电磁波干扰 接地噪声
系统在工作过程中可能会出现例如不稳定、漂移、失真等不正常现象 。 产生这些现象的原因： （1）可能因系统本身结构、器件质量、制造工艺等存在问题 （2）也可能是电子测量系统受外部的工作环境， 如电源电压波动、环境温度变化或其他电气设备的影响等。 这些来自内部和外部的影响系统正常工作的各种因素， 统称为“干扰”。本章讨论的干扰偏于指外部因素。 电磁干扰 机械干扰 热干扰 光干扰 湿度干扰 化学干扰 工频噪声 电源不干净或动力线对信号线的串扰 放电噪声 电极击穿、电焊等 电压波动 电网过欠电压 尖峰脉冲 大功率设备启停 电磁波干扰 接地噪声 地电位不同 雷电干扰 直接雷、感应雷

3 二、干扰的抑制方法简介 电磁干扰 EMI—Electromagnetic Interference
电磁兼容 EMC—Electromagnetic Compatibility 影响它人（害人） 自身影响（害己）：稳定性、精确度、失效 电磁干扰的危害性 降低电磁干扰辐射，减小对其他设备的影响 使自身免受或少受外部干扰的影响 电磁兼容设计目的 主要手段：屏蔽+接地+防雷+…… 防电磁干扰、防静电干扰，防雷电干扰……

4 外壳（柜体）屏蔽 电缆屏蔽 1.屏蔽(shielding)技术 用来抑制电磁场从空间的一个区域传递到另一个区域 主要分为： 屏蔽的目的：
衰减对目标对象的干扰能量 屏蔽的效果： 主要取决于两个方面 吸收 反射 吸收损耗：干扰波在屏蔽材料中传播时，会有一部分能量转换成热量，导致电磁能量损失 反射损耗：当电磁波入射到不同媒质的分界面时，就会发生反射，使穿过界面的电磁能量减弱 抑制电场干扰和抑制磁场干扰是有不同的

5 (1) 外壳（柜体）屏蔽 电场屏蔽—反射为主 磁场屏蔽—吸收为主 电场屏蔽适宜材料—良导体，接地 —与厚度无关
电场屏蔽—反射为主 磁场屏蔽—吸收为主 电场屏蔽适宜材料—良导体，接地 —与厚度无关 磁场屏蔽适宜材料—高导磁率材料 —与厚度有关 高电压、小电流干扰源： 低电压、大电流干扰源： 电场干扰为主，磁场往往可以忽略 磁场干扰为主，电场往往可以忽略

6 交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之“积”。
① 电场屏蔽 屏蔽体 交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之“积”。 只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。 电场屏蔽以反射为主，单从电场屏蔽的角度看屏蔽体的厚度关系不大。

7 ② 磁场屏蔽 简单的理解：是利用高导磁率的材料构成低磁阻通路，实现磁路旁通。 屏蔽体导磁率越高，厚度越大，磁阻越小，效果越好。 单纯从磁场屏蔽的角度看，用于磁场屏蔽的屏蔽体无需接地。 几个问题： 强磁场屏蔽：高导磁材料在强磁场中极易饱和，丧失导磁效能 怎么办？ 双层，外层（低导磁材料，内层高导磁材料） 高频磁场屏蔽：导磁率越高，适用抑制的频率越低。高频磁场通常趋于远程，用高电导率材料屏蔽体+良好接地通常效果也是不错 高频强磁场屏蔽： 把设备挪开 或结合前两种思想解决

8 漏磁 ③ 屏蔽体上开孔和接缝 开孔主要影响磁场屏蔽效果 在通风孔上安装一块与屏蔽体间可靠搭接的金属网，可减小漏磁
通风口 显示窗 键盘 指示灯 电缆插座 调节旋钮 电源线 缝隙 ③ 屏蔽体上开孔和接缝 漏磁 开孔主要影响磁场屏蔽效果 减小漏磁的基本思路：用机械手段来增加接触面的平整度； 增加紧固件（螺钉等）的密度 用电磁密封衬垫（导电橡胶、导电布等） 孔洞的电磁泄漏与孔洞的最大尺寸有关 采用与大孔相同面积的多个小孔构成的孔阵代替一个大孔产生的漏磁要小 在通风孔上安装一块与屏蔽体间可靠搭接的金属网，可减小漏磁

9 ④ 屏蔽材料 一般金属材料的电导率都很高，导磁率不太高 纯铁、硅钢片、铁氧体等铁磁材料的导磁率比较高 高导磁率材料具有以下特点： 导磁率随频率升高而降低 高导磁率材料在机械冲击下会极大地影响屏蔽效能 强磁场极易引起磁饱和 磁屏蔽效能还有材质厚度有关

10 (5)一般性结论 电场反射损耗大；磁场，反射损耗较小，主要靠高导磁吸收 在低频时，高导磁率材料的屏蔽效果比高电导率材料好 在高频时，高电导率材料的屏蔽效能一般比高导磁率材料好 故，低频磁场用高导磁材料、电场/高频磁场用良导体进行屏蔽 电场屏蔽、静电屏蔽必须接地，屏蔽体上可以任意开缝; 磁场屏蔽不需接地，开缝会有漏磁 高导磁率材料表面覆盖高电导率材料，可以增加屏蔽效果 实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接縫情况（细节）

11 （2）电缆屏蔽与接地 绝大多数干扰波是通过导线传播和辐射的 低电平信号线对外部干扰都是很敏感的
电缆屏蔽的目的：抵御干扰、防止辐射（干扰他人） 铜丝编制的屏蔽线，主要用于信号线 铠装电线：用铁皮或铝皮将芯线包起来，主要用于电力线 还可以使用铜管、铁管、铝管作为穿线管，在导线外起屏蔽作用 双绞线—自身、外部的干扰程度都抵消 80%-95%以上的面积被金属网或金属箔层覆盖 本身具有吸收和反射衰减作用

12 若干结论 屏蔽层不能不接地；多数情况问题不在屏蔽层的质量上，而在屏蔽接地上
电场屏蔽：单端接地时，屏蔽层电压为零，可显著减少感应电压；不要把屏蔽层两端都直接接地，否则极易因地电位差在屏蔽层上形成低频电流。 单端接地原则：信号源端接地，信号源浮地则在受信方接地（谁送电谁接地） 磁场屏蔽：两端接地使电磁感应在屏蔽层上产生感应电流，进而产生与主干扰相反的二次场，抵消主干绕场的作用；两端接地可以降低感应面积；，显著降低磁场耦合感应电压（两端接地应注意等电位） 混合接地法：可抑制低频和高频电场干扰。 双屏蔽层：内层采用单端接地，外层采用双端接地，但应考虑在暂态电流作用下屏蔽层不致被烧熔，等电位。《GB 电力工程电缆设计规范》 高频/低频地 高频地

13 屏蔽层接地的几种方式 同轴电缆 安全地 电缆(双绞线) 信号地 扁平电缆 信号输入 接地板 地线 接地板 一般 可以 不错 理想

14 电缆群屏蔽接地

15 合理布线（系统） 布线时依据标准，布线结果要有据可查 布线要尽量短，但要留有裕量（维修改造用） 分类走线 弱电信号线路和强电线路必须分开，并保持一定距离 直流信号线路和交流信号线路尽可能分开 模拟信号线路和数字信号线路尽可能分开 机械保护 室内走线（加装穿线管，如PVC管、镀锌管、薄壁不锈钢管等） 架空走线（桥架，室内采用喷塑处理、室外采用不锈钢） 埋地走线（必须加装穿线管） 注意防止鼠患！ 避免续接 屏蔽电缆（必要时可焊接，注意续接处的绝缘和接触电阻） 双绞线、光纤、同轴电缆（采用标准接头）

16 2. 静电防护技术 两种材料的摩擦、碰撞、剥离（接触后分离）的电荷积聚 人体有感觉的静电电压一般都在上千伏乃至万伏以上
＞2000V有感；＞3000V有光 现在的集成电路和器件，因光刻线条越来越细（体积越来越小），抗 静电的能力越来越低，一般100~200V静电电压即可致使集成电路烧毁 （即使不上电） 在易燃易爆场合，静电影响也极具破坏力，如在有粉尘的场合、炼油 化工区域等等 静电感应对高输入阻抗电路的影响尤为显著

17 静电防护的主要措施： （1）【避免】系统表面尽可能平滑，防止静电积聚；避免化纤类服装； （2）【疏导】要完全消除静电积聚很困难，工作台、地面铺设防静电 材料，穿到防静电服和鞋袜，带防静电腕带； （3）【中和】如果疏导不了，还可以加装离子风机、离子风枪来中和 静电荷； 其它： 地面——采用防静电地板 良好接地——接地电阻尽可能小，＜2Ω 保持一定湿度可降低静电影响

18 3. 接地技术 接地就是将一个点与某个电位基准面（通常是指大地）用导体连接起 来建立低电阻的导电通道。 自然界的土壤地层有3大电气特性：
3. 接地技术 接地就是将一个点与某个电位基准面（通常是指大地）用导体连接起 来建立低电阻的导电通道。 自然界的土壤地层有3大电气特性： ①导电 ②导电率介于良导体和绝缘体之间 ③容电量∞  可将电气设备和地间组成电气连接 可把土壤地层理解为等电位面，成为系统的基准电位。 三种接地类型： 安全接地 工作接地 干扰抑制接地 保护地 防雷（瞬时高电位、大电流） 保护人生设备安全（电荷积累、绝缘下降） 建立信号基准，防止电子设备内部电路相互干扰 工作地 受信方--防止外部干扰的影响 干扰源--降低干扰辐射

19 从工业应用的角度来看，目前控制系统通常有两种接地方式：
单独接地 等电位联结（连接） 接地极 独立、干净的接地装置 等电位接地网 和单独接地相比，等电位联结有如下的特点： 常规的接地方式会因电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位地电位差的存在，严重时无法保障人身和控制系统的安全。采用等电位联结，就可减小或避免这种危险的发生。 由于建筑物各处均为等电位，不易产生共模干扰（基准相同） 实施方便，等电位接地系统已为国际标准采用，并逐步在国家标准中推广。

20 Earthing Reference Point
混合型接地系统 S型(星型)接地系统 M型(网络型)接地系统 PE 配电箱 等电位接地网 机柜 接地汇流排 接地 干线 控制系统机柜 等电位接地网 ERP Earthing Reference Point 接地基准点 PE电源保护地＋工作地 注：两个接地点间会有数mV，甚至几伏的电位差。这对弱电信号来说，是一个严重的干扰；控制系统的工作地和保护地不能在“柜内”混用。

21 VA＜VB＜VC 系统内部连接（串联接地和并联接地） 设备1 设备2 设备3 设备1 设备2 设备3
I3 I2 I1 A B C R1 R2 R3 VA＜VB＜VC 设备1 设备2 设备3 R1 R2 R3 I1 I2 I3 R4 A 串联接地因各电路的地电流在地 线阻抗以及连接阻抗会引起各电 路间的耦合，应避免使用。 如果不可避免，则应尽量使地线阻 抗趋向最小。 并联接地：电路间耦合减小 应强调“分类汇总”。 汇总点离和地的接入点愈近与 好。 （R4显然是愈小愈好）

22 接地电阻 接地板、接地导线电阻 附近土壤电阻 接地体电阻 接地体与土壤接触电阻
接地电阻包括上述四个电阻之和。其中，接地体附近的土壤电阻是主要的，RG2/RG3往往可以忽略不计。 虽然土壤为不良导体，但因其容量、电流通路截面积很大，故接地电阻仍然很 小。 接地电阻主要取决于接地极附近的接地电阻值，和接地极的形状大小有关。 上述接地电阻是指工频电流从接地体向周围大地散流时，土壤呈现的电阻值， 即为工频接地电阻。 控制系统的接地电阻通常要求≤4Ω

23 接地原则 1）仪表和控制系统的接地联结采用分类汇总，最终与总接地板联结的方 式。交流电源的中线起始端应与接地极或总接地板连接。
2）当已把建筑物（或装置）的金属结构、基础钢筋、金属设备、管道、 进线配电箱的PE（保护接地线）母排等形成等电位联结时，仪表、控 制系统各类接地也应汇接到该总接地板，实现等电位联结。 3）当尚未形成等电位联结，仪表、控制系统可以采用单独接地，工作接 地采用单独的接地体并与电气专业接地体须相距5m以上。 4）在各类接地联结中严禁接入开关或熔断器；地下部分要采用焊接连接。

24 电涌(浪涌)保护器SPD Surge Protection Device
4.系统的防雷 A B S2 S3 S1 A B S2 S3 S1 A B S2 S3 S1 防雷的本质就是浪涌抑制，应在大干扰（如雷电能量）进入 设备前将能量泄放至大地 电涌(浪涌)保护器SPD Surge Protection Device 可以有目的限制瞬态过电压和转移浪涌电流

25 一个PSD装置，它至少使用了一个非线性零件。
非线性元器件 一个PSD装置，它至少使用了一个非线性零件。 火花间隙 Spark Gap 压敏电阻 (MOV) 抑制二极管 (SAD) 气体放电管 (GDT) 瞬态二极管（Transient Voltage Suppressor）简称TVS，是一种二极 管形式的高效能保护器件。当TVS 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它 能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的 浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元 器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。 硅雪崩二极管（SAD）：适合保护易接触雷击浪涌或因电气电路的机械开关导致的瞬态电压等高能现象的电路 响应时间 泄放能力

26 A.压敏电阻 限压型器件，当两端施加工作电压时阻值很高，漏电流为μA级。随着电压升高，阻值降低，电压超过一定值后阻值急剧降低，漏电流可高达几十KA，形成雷电泄放通道。当电压回复至工作电压后，压敏电阻恢复原来状态。        Uc： 最大持续工作交流电压，开关电源一般为300V左右。    U1mA：标称电压，指漏电流达到1mA时施加的端电压，一般为470V。 Umax：最大限制电压     In： 额定通流能力，能安全泄放多次雷电流，一般＞ 20KA。     Imax：最大通流能力，能安全泄放1次，一般＞ 40KA，泄放后电阻可能损坏。     响应时间：一般响应时间为1~100ns。 正常工作时 <300V <<1mA 标称电压下 =470V =1mA 泄放电压 775V 可达 40KA    通常可以按照 Uc=1.5*UP或=2.2*UAC计算，UP为峰值电压，单相电网为310V

27 当放电管两端电压小于触发电压时，为断路状态，基本无漏电流。 当电压高于触发电压时，气隙被击穿，可认为短路。
B.气体放电管 气体放电管为开关型器件。 当放电管两端电压小于触发电压时，为断路状态，基本无漏电流。 当电压高于触发电压时，气隙被击穿，可认为短路。 直流开关电源常用的放电管工作电压为255V，促发电压为400V左右。 放电管触发以后，当两端的电压下降至工作电压以内时，气隙不能灭弧，继续有电流通过。气体放电管的灭弧电压很低，一般为20~50V，因此不能安装在火线与零线、火线与地线之间。 正常工作时 <255V R= ∞ I ≈0 >触发电压 >400V R ≈ 0 I =40KA 续流期间 <50V R ≈ 0

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29 应用于控制系统的电源类电涌保护器 24V 开关电源 ： PT 2-PE/S-24AC/FM
插拔式防雷保护单元 适用单相电源的保护 额定浪涌放电电流 In= 3 KA (8/20)µs (每相) Imax = 10 KA (8/20)µs 紧凑设计: 仅 17.7mm宽

30 应用于控制系统的信号类电涌保护器 4-20mA 模拟量信号 & 开关量信号 PT 1x2….for 1对模拟量信号
多种电压等级可选择：5V , 12V, 24V, 48V PT 1X2-24DC PT 2X1-24DC

31 现场 柜内 PT 1X2-24DC 应用图例 IN OUT OUT IN +24V- Sensor 电源 变送器 I 0..20mA
PHOENIX CONTACT PLUGTRAB PT 1x2 24DC-ST 24DC-ST PT 1x2 PLUGTRAB CONTACT PHOENIX I 0..20mA 0...20mA 电源 变送器

32 热电阻 & 热电耦 PT 4… for 3- or 4- 线温度测量 多种电压等级可选择：5V , 12V, 24V Notes: PT 4…产品在回路中无电阻

33 PT 4-24DC 应用图例 IN OUT I R

34 Profibus: 基于485接口的通讯协议 适用于Profibus 的电涌保护器：PT 3-PB 最大持续工作电压Uc:5.2V DC 额定工作电流IN: 450mA 冲击电流Iimp(10/350)us: 2.5kA 标称放电电流In(8/20)us :20kA 截止频率fg : 70MHz 连接方式：螺钉连接

35 Profibus: 基于485接口的通讯协议 适用于Profibus 的电涌保护器：D-UFB-PB 最大持续工作电压Uc:5.2V DC 额定工作电流IN: 500mA 标称放电电流In(8/20)us :700A 截止频率fg : 70MHz 接口形式：D-SUB-9

36 Profinet: 基于以太网的通讯协议 适用于Profinet 的电涌保护器：D-LAN-CAT.5-HC 最大持续工作电压Uc:5V DC 额定工作电流IN: 1.5A 标称放电电流In(8/20)us :2kA 截止频率fg : 100MHz 接口形式：RJ45 支持POE供电技术

37 适用于Profibus 总线的电涌保护器： PT 3-PB-ST（插头） & PT 1x2-BE（底座） D-UFB-PB（不可插拔）
对室外进线/出线的保护 对室内设备的保护 适用于Profibus 总线的电涌保护器： PT 3-PB-ST（插头） & PT 1x2-BE（底座） D-UFB-PB（不可插拔）