工业控制系统电磁干扰浅析Word文件下载.docx
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根据形成原因、传导介质以及频率特性等性质，干扰源可按以下方式分类：
2．1根据形成原因分类：
可分为自然形成和工程技术因素形成：
自然干扰源包括：
雷击、大气、静电放电等。
技术干扰源包括：
大电流突变的可控硅控制器、开启或者关闭高功率设备、高频发生器、振荡器等。
2．2根据频率范围分类：
可分为窄频和宽频干扰源：
窄频干扰源带有离散频率的信号，包括：
无线电设备、雷达站、工业高频发生器、微波设备、动力电流、焊接机械、超声波设备、功率转换电路等，这些设备能产生较强的电磁场，尤其是在周围区域。
而宽带干扰源具有传导和辐射干扰变量，在电子自动化控制系统中影响较大，主要包括：
电机、断路器、半导体控制电路、开关设备（继电器，接触器）、静电放电、大气放电、电晕放电等。
2．3根据耦合方式分类：
可分为传导干扰源和辐射干扰源、电源干扰源：
传导干扰源主要通过金属导体（金属线或者导电结构），变压器，线圈、电容器等进行传播，辐射干扰源主要通过电磁波形式传播。
但是，由于导体在工作的时候也可视为有效的天线设备，所以传导干扰源和辐射干扰源之间也可以相互转换。
另外，由于干扰源中，很多都是和干线电源相连，它们各自的干扰变量会发送到电源网络，并从那里传递出去。
所以说，电源网络自身也会成为连续和间歇干扰信号的来源。
3．干扰信号的分类
干扰变量，以及由干扰变量产生的干扰信号，涵盖的频率和振幅范围很广。
它们所展现出来的信号曲线千姿百态，所属的类别也不尽相同。
如果从时间的角度进行考虑，那么可以分为周期性的变量和非周期性的变量。
3．1周期性的干扰信号
周期性的干扰由正弦信号组成。
在工业设备中，能够引起周期性干扰的有：
交流和多相电流部件，整流器，荧光灯，组合电路部件以及电脑等。
它们会使电源电压，电压波动，压降发生持续的失真，还会破坏多相电流源的对称性。
周期性干扰波形如下图所示：
3．2非周期性干扰信号
非周期性干扰指的是短暂的干扰脉冲（瞬态信号）。
比如电气回路开关过程中产生的过电压可能会高达10千伏，其上升时间从纳秒到秒不等，其频率可高达100兆赫兹。
在工控网络或是数字系统中，瞬态脉冲危害性很大，因为它们会对控制器（PLC或DCS）存储区进行误置位和清除，从而破坏系统功能。
在工业控制系统中，高压和低压开关设备正常的开关、短路、电涌、雷击放电等均会导致瞬态信号的非周期性干扰。
非周期性干扰的波形如下图所示：
3．3共模干扰和差模干扰
电磁干扰按其干扰模式不同，可分为共模干扰和差模干扰。
共模干扰是指干扰信号同时被耦合到输出和返回回路中，使其对地电位差增高；
主要由电网串入、电位差及空间电磁辐射信号线上感应共态（同方向）电压迭加所形成。
共模电压较大，特别是采用隔离性能差配电器供电室，变送器输出信号共模电压普遍较高，有可高达130V以上。
差模干扰是指作用于信号两极间干扰电压，主要由空间电磁场信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成电压，这种让直接叠加信号上，直接影响测量与控制精度。
共模干扰电压在不对称电路中可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。
4．干扰耦合
干扰可以通过不同的方式耦合到电气设备和散播开来，比如可以通过一根导线（定向的）或者通过空间（非定向的/辐射的）来进行传输，并且干扰信号经常会以定向干扰和辐射干扰的形式同时出现，进一步耦合到输入，输出，电源以及数据线。
干扰耦合的主要方式有电流耦合、感性耦合、容性耦合等。
下面就几种主要的干扰耦合作简单分析。
4．1电流耦合
电流耦合属于线路定向耦合。
在同一线路上存在不同的电路的时候，会发生这种现象。
每当其中一个电路的电流发生改变时，就会在公共线路上产生电压变化，使得各个电路相互影响。
电流耦合通常发生在以下电路中：
a）不同电路到同一电源的耦合
b）在工作电路和接地电路之间的耦合（大地电路耦合）
c）通过一个公共参考导体系统来使不同的电路进行耦合
下图所示为具有一个公共参考导体的两个电路中存在的电流耦合。
U1：
电路1中的电压；
U2：
电路2中的电压；
USt：
干扰电压；
ZL：
来自电路1和电路2的公共线的阻抗
当一个电路按如上图所示的方式进行接线时，开启电路1中的接触器会导致公共线阻抗ZL上的压降。
这个压降会以干扰信号的形式覆盖电路2中的正常信号。
干扰的强度取决于公共导体的阻抗和电流改变的程度。
过高的瞬态干扰电流会产生极大的压降，此压降大小取决于电流波动幅度、干扰电压、自感系数、有效电阻等参数。
在下图中，表示了线路几何尺寸对线路有效电阻R的影响：
R有效电阻，R0直流电阻
可以看出，通过采用表面积更大的导体可以降低自感系数及有效电阻，从而降低高频干扰电流的影响。
4．2感性耦合
感性耦合是一种经由电磁场进行的耦合，在彼此并行的线路之间发生。
当其中一条线路中的电流发生变化会引起电磁场的波动，而此电磁场会影响其并行线路，并在其中引起感应电压，从而在并行线路中产生干扰信号。
电感性耦合广泛存在于电缆，线束和电缆管道中的并行线路中。
下面的电路图给出了电感性耦合的产生方式。
由启动较大的负载或者短路而造成的电路1中的电流变化，引发了磁场的波动。
干扰电压的大小取决于两个导体间的感应耦合系数Mk，以及在电源线中的电流变化率di/dt：
下图所示为不同导体间距对感应耦合系数的影响：
1：
电路1；
2：
电路2
h：
在同一电流环路中输出线和返回线间的距离（线芯距离）
d：
在不同电流环路之间的距离（电缆间距）
l：
线路之间的并行长度
为了得知电缆间距对感应电压的影响，下面我们通过实例来计算：
假设两根并行电缆，长度为100米，回路的开关电流为100A，电流浪涌的持续时间为10us；
此条件下，两根电缆的间距分别在4mm和100mm时的Mk如下：
a）紧凑的电缆：
h=2mm，d=4mm，此时Mk=80nH/m
b）电缆间距为10cm：
h=2mm,d=100mm，此时Mk=1.5nH/m
干扰电压Ust=Mk*di/dt，计算得出，d=4mm时Ust=80V，而d=10cm时Ust=1.5V，可以看出，把两根电缆之间的距离从4mm增加到10cm，感应电压下降了98%!
4．3容性耦合
电容性耦合是通过电场进行的耦合。
它发生于相邻电路之间，比如在较大的电源线电流和信号线电流之间。
在这两个电路之间，如果电位差发生波动，那么就会有电流流过位于它们之间的绝缘介质，比如说空气。
彼此相临近的两条线路可以看作是一个电容器的两极，用耦合电容Ck表示。
由电容性耦合所引起的干扰电流Ist，其大小取决于位于两个导体之间的耦合电容Ck，以及电源线上电压变化du/dt所持续的时间。
在敏感设备（电路2）中产生的干扰电压取决于：
耦合电容CK随着线路之间并行长度的增加而线性增加，与此同时，根据相应的计算方法，耦合电容随着线路之间距离的增加而减小。
l：
d：
线路之间的距离
D：
电缆直径
下面是在电缆直径为1mm情况下的耦合电容数值实例：
CK约为100pF/m
b）电缆间距10cm：
CK仅为5pF/m
由此可见，与感性耦合干扰电压相似，容性耦合干扰电压也随着电缆间距的增大而大幅降低。
不过，值得一提的是，当电缆间距从10cm增加到20cm时，Ck及Mk变化的程度很小，也就是说感应电压Ust也变化很小。
即电缆间距在扩大到一定范围后，对电磁干扰的影响程度将降至很小。
二、工控系统的抗干扰设计
为了保证工控系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，我们必须从设计阶段开始便采取各方面抑制措施，比如：
抑制干扰源；
切断或衰减电磁干扰传播途径；
提高装置和系统抗干扰能力等。
在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力产品，尤其是抗外部干扰能力；
其次还应了解生产厂给出抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许多大电场强度和多高频率磁场强度环境中工作，除了以其出厂指标为准，也可考查其在类似工作环境中应用实例。
工控系统的抗干扰设计主要考虑来自系统外部几种抑制措施。
主要内容包括：
对控制系统及外部线路进行屏蔽空间辐射电磁干扰；
对外部线路进行隔离、滤波，特别是动力电缆和控制电缆分层布置，防止外部线路引入传导电磁干扰；
正确设计接地点和接地装置，完善接地系统等。
下面我们详细讨论一些在工程应用中常见的抗干扰设计。
1．电缆布线及屏蔽设计
电缆用来传输有用的信号。
与此同时，它们也可能成为干扰源，或者在接收到干扰信号以后充当干扰信号的传递者。
所有耦合形式都可能在电缆中出现。
在一个系统中所使用的电缆，根据它们所承载的信号的类型来进行分类。
信号的EMC（电磁兼容）性能是至关重要的标准。
在工业应用环境中，可以将电缆大体分为三类：
1）敏感信号线；
2）不敏感信号线，低干扰电位线；
3）信号是活性干扰源的线。
我们可以将具有不同EMC性能的电缆分开，并把不同种类的电缆分开放置，中间隔开一段距离，同时把不同种类的电缆分开进行屏蔽。
有时我们可以通过在电路中制造一个感性耦合，来实现输入导体和返回导体之间的变换，这样一来，就可以抑制干扰信号。
在连续性导体环路中的感应电压，其相位变化了180度，从而使得彼此间相互抵消。
随着环数的增加，变换的效果变得更为明显。
如果能达到30/m的环数，效果就会很不错。
在实际工程应用中，我们常用双屏蔽双绞线来达到这样的效果。
如果在进行设备的空间安排时，有时因为某些原因，无法将敏感设备和干扰源的距离设置得足够远，就需要进行屏蔽。
屏蔽类型有下面几种可用的屏蔽类型：
1）电缆屏蔽；
2）通过机座屏蔽；
3）房间屏蔽；
4）使用隔离板进行屏蔽。
2．自动化系统中的接地和EMC措施
2．1对设备安放位置的考虑
我们进行设备安置的时候，必须在车间内确定那些具有不断变化的干扰环境的区域，对这些区域中的设备，要根据它们的敏感度或者受到干扰影响的可能性来进行安置。
这些区域范围主要包括以下各项：
1）生产车间；
2）控制系统机柜；
3）上位机操作站。
那些用于处理数据采集和控制过程的敏感电缆和设备必须予以屏蔽。
高电流设备会通过它们的磁场来发出较强的干扰信号，比如：
大功率电机、变压器、高压配电线路等。
上位机站应该被安放在单独的屏蔽的房间内，房间的地面最好有紧密的网格式等电位连接。
在实际工程设计中，有时会需要把上位操作站安置在靠近生产线的位置。
靠近高电流设备的监视器可能会遇到很强的干扰，以至于完全无法正常工作。
如果磁场强度太强，那么就必须采取如下所示的相应策略：
增加到干扰源的距离、对干扰源进行屏蔽、使用液晶或等离子监视器、对监视器屏幕进行屏蔽等。
2．2接地，大地连接和雷击保护系统的设计
在楼宇内的大地连接，接地和雷击保护系统，必须统一进行设计，因为它们经常彼此相互关连。
这三个系统的任务如下：
1）接地系统：
接地系统负责确保车间内的等电位表面。
接地点和大地连接系统的连接，表明接地系统有着重要的安全依托。
2）大地连接系统：
大地连接系统提供到大地的电连接，这一连接既被用作系统的等电位连接，也起到了保护系统安全的作用。
对不同系统类型的TT，Tn和IT系统来说，其安全方面和EMC方面的要求也不尽相同。
3）雷击保护系统：
雷击保护系统保护车间和人员免受雷击的伤害。
我们将整个车间的主接地系统与用于扩展系统的局部等电位连接区分一下：
1）主接地系统：
涵盖了整个楼宇的接地系统
2）局部接地系统：
在局部层次上的接地系统（设备，机器，机柜）
2．2．1楼宇内接地系统设计
在工业楼宇内的扩展系统，必须遵守同等与主接地系统的EMC指导方针：
1）每一个地面都要有大地平面以及环绕的接地条。
这其中包括：
在混凝土底板上焊接的钢垫，中空的带有铜制金属栅格的底板，等等。
2）在不同大地导体之间的距离，必须大于以下值：
大车间：
3...5m
带有计算机和敏感设备的区域：
<
2m
3）楼宇内的所有金属结构都应该连接到整体网络中。
包括：
金属构架、焊接在一起的钢筋混凝土、金属管道、电缆管道、传送带、金属门框、栅格等。
下面的图示简单说明了如何在考虑了EMC因素的情况下，如何在工业楼宇内设置大地连接，接地和雷击保护系统：
2．2．2设备和机器的局部接地设计
除了用于整个系统的接地系统以外，车间内的扩展系统也必须对设备和机器进行局部接地，以确保良好的等电位连接。
局部接地系统被连接到车间的接地系统中去。
在所有的金属设备和机器结构之间，应该保持一个连续的连接。
例如：
开关机柜、在机柜板上的大地平面板、电缆管道、管道和铠装电缆、机器和电机上的支持部件和金属机座等。
局部地连接必须连到主系统网络，并进行最大限度的分布式地连接。
2．2．3大地连接系统和接地系统的设计
电气系统的接地系统建立到大地的连接，它必须满足以下要求：
1）从可触及的金属系统部件（机座）放电，以保护人体免受电击
2）把雷击引起的过量电流释放到大地
3）把在电源传输线上两点之间产生的静电感应电流释放到大地
下面比较一下几种不同的接地方式对EMC性能的影响及设计时需要注意之处。
2．2．3．1TT系统
TT接地系统能基本符合EMC要求，但是当系统内的接地发生故障时，电气接地系统存在漏电流，这些漏电流会产生电位差，从而带来瞬态电流，会引起不同程度的电磁干扰。
为了避免这种情况，可以在设备间使用直接连到大地的等电位导体。
此时实际上TT系统转变成了一个TN-S系统。
在设计TT接地系统时，考虑到人身安全，必需安装漏电断路器。
2．2．3．2TN-CTN-C-S系统
TN-C和TN-C-S系统EMC性能较差，因为在TN-C和TN-C-S系统中结合了相关功能和保护地导体，在正常的操作过程中会在PEN导体上发生电流反馈，这些流经PEN线的电流反馈会引起电磁干扰。
在设计TN-C接地系统时，要注意必须确保PEN导体截面的足够大，使其拥有一条畅通的通路！
同时，由于在PEN导体上存在的大电流，当区域内有特别危险的干扰源时，不宜采用此接地系统。
2．2．3．3TN-S系统
从EMC的角度来说，TN-S系统是最好的方案。
在正常的操作过程中，保护地导体没有功耗。
在设计TN-S接地扩展系统时，同样必须确保保护地导体拥有足够大的截面，同时为了防火，应该安装一个500mA的接地漏电断路器。
2．2．3．4IT系统
IT接地系统EMC性能较差，但由于它自身是很安全的，因为不会产生电弧，所以推荐将IT系统用于安全方面要求较高的场合。
在设计IT接地扩展系统时，除了确保保护地导体拥有足够大截面外，不能安装用于不对称干扰电流的滤波器。
而且只有在所有设备都被连接到同一接地设备的系统（楼宇）内，才能够提供良好的EMC性能。
2．2．3雷击和过电压保护的设计
在雷击保护和过电压保护系统设计时，应该考虑到以下方面：
1）系统应该根据设备的重要性采用交错的保护措施划分为若干雷电保护区：
A区域：
所有的物体都暴露在直接雷击的威胁之下。
通过电涌放电器和到大地连接系统的引线来进行外部雷击保护。
B区域：
系统中的物体没有暴露在直接雷击的威胁下，磁场被抑制的程度取决于屏蔽情况。
屏蔽物一般为建造屏蔽物（例如钢筋）。
C区域：
系统中的物体没有暴露在直接雷击的威胁下，磁场较好地被抑制，耗散电流得以进一步缩减。
一般使用网状钢铁对房间进行屏蔽或用金属外罩对设备进行屏蔽。
2）所有进入某一区域的传导部件，彼此间都应该连到一起，连接通过该区域边缘的等电位带来实现。
区域内的屏蔽物也应该连接到这些等电位带上。
另外，还要有到较高优先级和较低优先级保护区的等电位带连接。
3）所有进出系统的需要保护的线路，都必须通过火花隙或者保护设备（避雷器）直接连到大地连接系统。
这样一来，一旦发生了雷击，遭受雷击的系统，其电位会暂时升高，但是在系统内却不会产生危险的电位差。
3．电源的抗干扰设计
在设计电源系统时，我们可以从下面这些方面去抑制由电源引起的电磁干扰：
1）在供电线路进入工业楼宇的接点处安装浪涌限制器。
2）通过在系统入口处安装工业线路滤波器来抑制到电源干线的干扰。
3）通过在输入口安装电涌限制器和电涌吸收器来保护敏感设备。
4）变压器同时也是滤波器，因此对于高频干扰来说，变压器必须装备单层屏蔽，或者适当的双层屏蔽。
下图是通过使用一个双重绝缘变压器来对电源干线进行过滤的例子：
其中要注意的是，在安装变压器的时候，良好的接地是非常重要的，因此变压器的外罩必须用螺丝牢固地固定到导电大地平面。
供给每个设备的电源应该从线路入口以点对点的方式进行布线，如下图所示：
特别是当同一电源分别对敏感设备和可能造成干扰的设备同时供电时，不能到线路未端再将供电线路分开，下图这种方式是不可取的：
如果当前在同一个电源系统中同时使用了非常敏感的设备和强干扰设备，则必须提供隔离的电源：
具有强干扰的设备，在连接的时候必须尽可能靠近线路入口，敏感设备则和线路入口保持一定距离，如下图所示：
4．机柜的抗干扰设计
4．1机柜内干扰源的隔离
我们在设计机柜时，必须要注意敏感的和易产生干扰的电气元件以及电缆必须彼此隔开。
要做到这一点，可以把它们放置在不同的机柜中或者使用隔离板，从而实现屏蔽。
机柜必须被分隔为不同的EMC域，也就是在机柜中必须划分出不同干扰级别对应的区域EMC域。
这意味着干扰源和敏感部件必须彼此分开。
通过隔离板来对机柜内安置了自感应源的部件进行隔离是非常必要的。
隔离板必须和机柜有良好的接地连接。
自感应源包括：
变压器、电子管、接触器等。
4．2机柜内的接地和大地的连接
我们在将机柜接地时，应该注意下面这些问题：
1）必须在机柜的底面安装一个未漆过的大地参考面板或者导轨，通常我们用接地铜排，以便给出参考零电位。
2）机柜内的所有金属部件都要彼此连接到一起。
3）机柜的金属外罩必须与全厂的大地连接系统可靠连接。
4）所有的保护接地导体都必须和大地连接。
4．3机柜内的布线
在电缆管道内设置和连接电缆时，我们要注意115/230VAC的电源和信号线与24/60VDC的信号线必须铺设在不同的电缆管道内，并且这两种管道之间的距离至少要有100mm。
如果交叉的情况不可避免，那么一定要采取直角交叉的方式。
屏蔽的母线、屏蔽的模拟过程信号线、未屏蔽的24/60VDC信号线可以放在同一线槽内。
5．针对PLC系统的布线方案
在使用PLC的工业环境中，我们首先要根据各种信号线的EMC性能进行分类，然后才能进行合理的布线设计。
一般来说，我们将信号线按干扰强度分为四类：
第一类：
信号非常敏感。
.比如低级电路，带有模拟输出，仪表变压器等
第二类：
信号轻度敏感，能够干扰第一类信号线。
比如母线、带有数字输出的仪表变压器、阻性负载的控制电路，或是直流电源等；
第三类：
具有轻度干扰，能干扰第一类和第二类的信号线。
比如感性负载的控制电路（继电器，接触器，线圈设备，反相器等），或是交流电源、高功耗设备的主电源等；
第四类：
强干扰信号，能够直接对其它信号产生干扰。
比如焊接机械、通常的电源电路、电子速度控制器、开关电源等。
我们对所需要的电缆进行选择时，要注意下面方面：
1）尽量使用绞线型输出和直线型返回的电缆。
2）对模拟信号来说，应该使用带有已屏蔽的输出和返回导线的电缆，并采用麻花型屏蔽方式。
对于楼宇外的模拟处理信号，使用的电缆应该带有双重屏蔽。
3）对于高频辐射干扰（5-30兆赫兹），电缆要采用麻花屏蔽方式。
4）对强干扰的信号（第四类），使用屏蔽过的电缆并通过经由金属管或者金属通道安装的电缆来实现可靠的屏蔽。
5．1以并行和交叉方式铺设电缆时的注意事项
带有不同种类信号的未屏蔽电缆，在安装中应该保证最短的并行长度，并在彼此间保持最大的工作间距；
如果并行长度超过30m，或者无法保证合适的工作间距，那就应该使用屏蔽的电缆。
带有不同种类信号的电缆必须以直角进行交叉。
5．2屏蔽电缆接地的连接方式
在机柜内部的模拟测量电路电缆，屏蔽接地点通常位于机柜出口的一侧，并且为防止高强度的干扰电缆，最佳方式是两端的屏蔽都要接地。
在机柜外部的模拟测量电路，如果只需应对容性干扰，可采用单一电缆屏蔽地连接；
如果信号线的配置带有高频感应，应采用双侧电缆屏蔽接地；
如果信号线较长：
除了沿电缆方向进行双侧地连接以外，还理想的方式是每间隔10到15m再附加一个接地点。
下面将几种屏蔽方式的利蔽做一比较：
电缆屏蔽地连接
效果和优点
限制
方式1：
在电缆的两端都进行
效果：
接地非常有效
1、对外部干扰（高频和低频）非常有效
2、对电缆中的谐振频率也有很好的屏蔽效果
3、在电缆和地之间没有电位差
4、使输入不同类型信号的电缆能够正常布线
5、能够很好地抑制高频干扰
对于较长电缆（长于50m），伴随着强干扰场的高频信号中，会感应出接地端故障电流。
方式2：
只在电缆的一端进行
地连接
一般的屏蔽效果
1、可以保护绝缘线（仪表变压器等）不受低频电场的影响2、可以避免蜂鸣现象（低频干扰）
1、对由高频电场引起的外部干扰无效
2、由于天线效应，屏蔽可能会引起共振。
这就意味着干扰可能比没有屏蔽的时候还要强!
3、在未接地一端，屏蔽物和接地点之间有电位差；
如果发
生接触会带来危险！
方式3：
没有接地的屏
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