自動化儀表的電磁兼容分析

高志偉

摘 要：近些年，我國生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展日新月異，大大促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)增長，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。

關(guān)鍵詞：

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動化儀表在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸向智能化、集成化、高頻化發(fā)展。在自動化儀表給生產(chǎn)生活帶來方便的同時，系統(tǒng)間及系統(tǒng)內(nèi)的電磁干擾問題，引起了業(yè)界的關(guān)注。為評估產(chǎn)品的EMC性能，許多國家先后制定和頒布了標(biāo)準(zhǔn)，來強制要求廠家設(shè)計符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。目前我國自動化儀表EMC試驗標(biāo)準(zhǔn)由全國工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口，上海工業(yè)自動化儀表研究所負(fù)責(zé)起草，標(biāo)準(zhǔn)名稱為GB/T18268-2000《測量、控制和實驗室用的電設(shè)備電磁兼容性要求》，等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61326：1997。

1 電磁兼容性（EMC）簡介

1.1 電磁兼容概念

設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。即該設(shè)備不會由于受到同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級;它也不會使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級。

1.2 電磁兼容三要素

無論是簡單裝置還是復(fù)雜的系統(tǒng)，形成電磁干擾必須具備三個基本要素，即電磁干擾源、耦合路徑、敏感設(shè)備。干擾源是發(fā)射電磁能量的裝置，耦合路徑就是載有電磁能量的媒質(zhì)，而敏感設(shè)備即容易受電磁能量干擾的裝置。如果去除其中之一，干擾將不會發(fā)生。在進(jìn)行產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計時，就是要考慮這三方面，找到產(chǎn)生騷擾的根源，簡單有效地消除干擾，保證產(chǎn)品穩(wěn)定運行。

2 常見的電磁干擾環(huán)境

2.1 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。

2.2 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、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。

2.3 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 實例分析

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)備無法正常運行。

3.1 電快速瞬變脈沖群干擾試驗

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，本實驗測試了自動化儀表設(shè)備的電源端口和信號線，基于±2000V的測試電壓，重復(fù)頻率約為5kHz，每300ms重復(fù)一次。根據(jù)試驗結(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)備運行過程中沒有受到電快速瞬變脈沖群的影響。

3.2 ESD電磁干擾試驗

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±800V空氣放電測試電壓和±6000V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

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，基于10V/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

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，基于±1000V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。試驗過程中，通信出現(xiàn)中斷后，重新通電后設(shè)備無法正常運行，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。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。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熒光分析儀在運行過程中未出現(xiàn)通信中斷故障。

4 結(jié)語

綜上所述，電磁干擾會對自動化儀表的正常運行造成巨大危害，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行原理，通過科學(xué)試驗找出影響設(shè)備運行的原因，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)備健康良性運行。

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