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離，檢測信號線路遠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)盡量遠離;直流信號線與交流信號線應(yīng)遠離;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?？梢岳肞LC、DCS等編程軟件或其他軟件對可能出現(xiàn)的干擾信號進行預(yù)處理，達到出現(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遠強于模擬信號;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

[1] 徐義亨.工業(yè)控制工程中的抗干擾技術(shù)[M].上海：上?？茖W(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.