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第1章概述
第1章概述
工业的高速发展对控制系统的依赖性越来越强。
分散型控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）、现场总线控制系统（FCS）、工业控制机（IPC）以及各种测量控制仪表已是构成工业自动化的主要硬件设施。
随着微电子技术的发展和控制系统集成化程度的提高，大规模集成芯片内单位面积的元件数越来越多，所传递的信号电流也越来越小，系统的供电电压也越来越低，现已降到5V、3V乃至1.8V。
因此，芯片对外界的噪声也越趋敏感，所以显示出来的抗干扰能力也就很低。
再则，相对于其它的电子信息系统，控制系统不但系统复杂，设备多，输入/输出（I/O）端口多，特别是外部的连接电缆又多又长，这类似于拾取噪声的高效天线，给噪声的耦合提供了充分的条件，使得各种噪声容易侵入控制系统。
欲提高控制系统的抗干扰能力，除了在设计系统本体的电子线路、结构以及软件时应于考虑的各项抗干扰措施外，更重要的是如何提高控制系统在工程应用中的抗干扰技术，因为目前我们还不可能做到将控制系统的抗干扰性能完全由控制系统本体去承担。
这诚如我们不能把人类抵抗疾病的能力完全依赖于每个人的免疫能力一样，消灭病菌和病毒，抑制疾病的传播途径是有着更为重要的作用。
控制系统在工程中的应用必将遇到各种各样的噪声，噪声又会通过各种耦合途径干扰控制系统的正常运行。
如何对噪声的产生以及噪声在传播途径中的影响予以有效的抑制，便是控制系统于工程应用中抗干扰技术的全部内容。
1.1噪声和干扰
对有用信号以外的所有电子信号总称为噪声。
可以将噪声源分成三大类：
1）本征噪声源，其来源于物理系统的随机波动，例如热噪声和散粒噪声等；
2）人为噪声源，例如电机、开关、数字电子设备、无线电发射装置等在运行过程中所带来的噪声；
3）自然界干扰引起的噪声，例如雷击和太阳的黑子活动等。
当噪声电压大到足够大时，足以在接收中造成骚扰使一个电路产生误操作，这就形成一个干扰。
噪声是一种电子信号，它是不能消除的，而只能在量级上尽量减小直到不再引起干扰。
而干扰是指某种效应，是由于噪声对电路造成的一种不良反应。
所以电路中存在着噪声，但不一定形成干扰。
“抗干扰技术”就是将影响到控制系统正常工作的干扰减少到最小的一种方法。
1.2构成噪声问题的三要素
典型的噪声路径如图1.1所示。
由此可见，一个噪声问题，它包括噪声源、噪声的传播途径和感受体三个要素。
处理控制系统的抗干扰问题首先要定义如下的三个问题：
图1.1噪声问题的三要素
1）产生噪声的源头是什么？
2）哪些是对噪声有敏感的感受体？
3）将噪声从源头传送到感受体的耦合途径是什么？
通常，回答了这三个问题后，我们就可以着手解决所遇到的噪声问题。
一般而言，有三种基本的方法去抑制噪声：
1）尽量将客观存在的噪声源的强度在发生处进行抑制，这是最有效的方法。
但是并非所有的噪声源都可以抑制的，如雷击、无线电天线发射等。
2）提高感受体对干扰的抗扰度，这取决于控制系统本身电磁兼容性（EMC）中的抗扰度。
3）减小或拦截通过耦合路径传输的噪声量的大小，即减少传播路径上噪声的传输量。
这是控制系统在工程应用中所面临的一大问题，也是在工程中抑制干扰最有效的措施。
所以就要求在布线、接地、屏蔽、控制室设计、信号的处理和隔离、供源等多方面采取措施。
图1.2是一个直流电动机系统，它包括直流电动机和其控制电路两大部分。
该系统的主要噪声源为直流电动机的电刷与换向器之间产生的电弧。
传播途径为连接到直流电动机上的导线和通过导线辐射出来的电磁场。
感受体为直流电动机附近的弱信号回路和电动机控制电路。
在这种情况下，不大可能对噪声源采用更多的抑制措施，因而只能通过抑制耦合路径的方式来消除干扰，即消除通过导线传导到电动机控制电路的噪声和屏蔽来自导线的辐射噪声。
在后面的章节里，我们将对这些抑制方法作详细地讨论。
电动机
控制电路
直流
电动机
弱信号回路
噪声电流
1.2直流电动机系统
1.3噪声的耦合途经
从物理概念上说，噪声的耦合途经大致有五种：
●导线直接传导耦合；
●经公共阻抗的耦合；
●电容性耦合；
●电感性耦合；
●电磁场耦合。
所谓的导线直接传导耦合系指噪声是通过信号线和交、直流电源线以及通信线等将信号源或电源里夹带的噪声直接传导给电路。
这种耦合是最常见的，如串模干扰都属此例。
抑制此类噪声的最基本方法就是避免导线拾取噪声，或者在它干扰敏感电路前用去耦或滤波（包括数字滤波）的方式消除噪声的影响。
所谓的公共阻抗耦合系指噪声源回路和受干扰回路之间存在着一个公共阻抗，噪声电流通过这个公共阻抗所产生的噪声电压，传导给受干扰回路。
如图1.3所示的电路，当回路1的不正常运行会引起公共阻抗顶端电位的变化，从而给回路2带来一个干扰，从而影响回路2的运行。
抑制此类噪声的最基本方法就是减小公共阻抗的阻值。
图1.3公共阻抗耦合电路
电容性耦合又称静电耦合或静电感应，它是由电路间电场的相互作用而产生的。
产生这种耦合的主要原因是电路间存在着分布电容。
电感性耦合又称电磁耦合或电磁感应，它是由电路间磁场的相互作用而产生的。
产生这种耦合的主要原因是电路间存在着互感。
这四种耦合均称为传导性耦合。
其中电容性耦合和电感性耦合又称为近场辐射。
此外还有电磁场辐射，它又称为辐射耦合或远场辐射，它是电场和磁场相结合的耦合，并通过能量的辐射对线路产生干扰的。
有关电容性耦合、电感性耦合和电磁场辐射等这些内容将在第2章中详细讨论。
严格地说，有关噪声问题的求解，需要通过麦克斯韦方程组才能得到，该方程组是三个空间变量（x、y、z）和时间（t）的函数。
这样，问题就变得非常复杂，非一般工程技术人员能够接受和理解。
为此，在本书里，我们还是采用“电路”的理论用集中参数来近似地求解。
所以我们采取了如下的假设：
1）用一个连接在两导体间的电容来表示两导体间存在的一个随时间变化的电场；
2）用一个连接在两导体间的互感来表示两导体间互相耦合的一个随时间变化的磁场。
1.4串模干扰和共模干扰
在信号传递通道中的所谓干扰系指由外来能源引起的使所需信号的接收受到扰乱或使信号本身受到扰动的一种现象。
按干扰源VC和信号源VS的连接关系，或者说按干扰源VC对电路作用的形态有串模干扰和共模干扰之分（见图1.4）。
所谓串模干扰就是干扰源Vc串联于信号源Vs之中。
或者简单地认为干扰源Vc和信号源Vs是迭加在一起的。
在输入回路中干扰源Vc与信号源Vs所处的地位完全相同。
串模干扰也称横向干扰或差模干扰。
串模干扰源自于：
1）信号线受空间电磁辐射的感应；
2）通过变送器的供电电源串入的电网干扰；
3）信号源本身产生的干扰。
放大器的地和信号源的地之间由于地电平的差异所形成的干扰称共模干扰，或谓出现在输入电路端子和地之间的一种干扰形式，也称纵向干扰或共态干扰。
这种干扰（地电位差）在实际测量中是普遍存在的，根据干扰环境、输入信号源和输入系统的距离等因素，这地电位差一般可达几伏、十几伏甚至100V以上，在雷击时甚至可达数十万伏以上的浪涌电压。
图1.4串模干扰和共模干扰
对图1.5所示的单端对地输入系统，共模干扰全部转换成串模干扰影响输入系统的。
而图1.6所示的双端对地系统，共模干扰并不直接影响电路的，它是通过输入电路的不对称转化成串模电压造成干扰的。
如果仅考虑共模干扰,即信号为零时,那么作用在Z5上的电压为:
………………………………（1.1）
如果电路对称,即Z1=Z2,Z3=Z4,则V=O。
但一般电路做不到完全对称，所以V不等于零，所以共模干扰就对测量系统产生影响。
图1.5单端对地输入系统
衡量一个输入系统的抗串模噪声和抗共模噪声的能力，可以用串模干扰抑制比SMRR和共模干扰抑制比CMRR来表示。
图1.6双端对地输入系统
其定义为：
（dB）（1.2）
式中：
Uc——共模干扰的直流或交流峰值电压，单位伏特；
ΔU——施加共模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化，单位伏特。
（dB）（1.3）
式中：
Us——串模干扰交流峰值电压，单位伏特；
ΔU——施加串模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化，单位伏特。
作为指标值，串模干扰抑制比SMRR和共模干扰抑制比CMRR的确定应和模拟量输入系统的测量准确度以及对应的信号电量程有关。
文献[5]详细地介绍了SMRR和CMRR指标值的计算方法。
文献[6]详细地介绍了一个系统的SMRR和CMRR的测定方法。
表1.1串模干扰和共模干扰的试验值
名称
信号量程
共模干扰电压
串模干扰电压
电流信号输入
（4～20）mA
（0～10）mA
250Vac,50Hz
（353．5V峰值）
1VAC，50HZ
（1.414V峰值）
电压信号输入
（0～5）V
（0～20）mV
50mV,50HZ
（0.0707V峰值）
（0～100）mV
热电阻信号输入
Pt100
Cu50
如果串模干扰和共模干扰的试验电压如表1.1所示。
设模拟量输入系统的准确度等级为a，则在串模干扰或共模干扰的作用下，信号测量准度偏差应不大于a%，即
（△U/F.S）×100%≤a%（1.4）
式中：
ΔU——施加串模干扰或共模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化，单位伏特；
F.S——对应的信号电量程的上限值，单位伏特。
我们才认为该模拟量输入系统的抗串模干扰或抗共模干扰的能力是符合要求的。
1.5控制系统的电磁兼容性
所谓控制系统的电磁兼容性（electromagneticcompatibility，简称EMC）系指控制系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
即电磁兼容性（EMC）是电子式控制系统的一种性能，它包括两个方面：
1）在可能的电磁环境中，控制系统仍然具有正常的工作能力；
2）不会成为环境中的一个电磁污染源。
一般用“抗扰度（immunity）”来衡量控制系统在电磁环境下的抗干扰能力；用“发射（emission）”来表明对环境的电磁污染。
由于各种电磁干扰都是一种复杂多变的随机过程，难以重复，为了有效地对其干扰效应和危害进行正确的评估，《IEC61000-4电磁兼容试验和测量技术》把控制系统在工程应用中常见的电磁干扰按其性质进行分类，并对这些干扰的试验模型和试验等级作了相应的规定。
不同的试验等级表示不同的抗扰度电平。
相对于各种电磁干扰，一个控制系统应有相应的抗扰度指标，包括：
●电压短时中断或暂降抗扰度；
●电压变化抗扰度；
●电快速瞬变脉冲群抗扰度；
●浪涌（冲击）抗扰度；
●静电抗扰度；
●工频磁场抗扰度；
●脉冲磁场抗扰度；
●射频电磁场辐射抗扰度；
●射频场感应的传导骚扰抗扰度等。
下面就《IEC61000-4》分类的电磁干扰，分别简述之。
1.5.1电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度
所谓“电压暂降”系指在供电电压突然下降，经历了半个周期到几秒钟的短暂持续期后恢复正常。
所谓“短时中断”系指供电电压消失一段时间，短时中断也可认为是100%幅值的电压瞬时跌落。
所谓“电压变化”系指供电电压逐渐变得高于或者低于额定电压。
变化的持续时间相对于周期来说，可长可短。
与低压电网连接的控制系统，由于供电电网、变电设备发生故障，或由于负荷突然发生大的变动乃至负荷连续变化，直至控制系统备用电源的切换均能引起电压暂降、短时中断和电压变化。
[14]规定了电压暂降和短时中断试验优先等级和持续时间（见表1.2）。
表1.2电压暂降和短时中断试验优先等级和持续时间
试验等级
电压暂降和短时中断，%UT
持续时间，（周期）
0
100
0.5、1、5、10、25、50
40
60
70
30
电压暂降和短时中断的变化过程极为短促，是在瞬间完成的。
试验电压是用有效值表示的，额定电压作为试验的基础电压UT。
试验过程中应注意：
1）电压瞬时跌落和短时中断，根据试验等级和持续时间的组合依次进行三次试验，两次试验间隔最小时间为10s。
2）电压突变发生在过零处，以及标准规定的认为是关键的相角处，如：
45°、90°、135°、180°；
3）电压渐变，对被试设备进行规定的每一种电压变化，都必须进行三次试验，两次试验间隔时间为10s。
1.5.2电快速瞬变脉冲群抗扰度
电快速瞬变脉冲群（简称“群脉冲”）来源于切换瞬态过程，如：
1）感性负载的切断；
2）继电器、接触器触点的跳动；
3）高压开关装置的切换等。
其频谱范围为（1～100）MHz，甚至可高达300MHz。
文献[10]对电快速瞬变脉冲群的试验波形作了规定，。
其特点（见图1.7）是上升时间快（5ns），持续时间短（50ns），能量低，但具有较高的重复频率。
它们会骚扰控制系统的运行，乃至引起损坏。
根据文献[10]，控制系统各端口的电快速瞬变脉冲群抗扰度的试验等级如表1.3所示。
表1.3电快速瞬变脉冲群抗扰度的试验等级
试验等级
电源端口.保护地（PE）
I/O信号、数据、控制端口
电压峰值kV
重复频率Hz
电压峰值kV
重复频率Hz
1
0.5kV
5kHz
0.25kV
5kHz
2
1kV
5kHz
0.5kV
5kHz
3
2kV
5kHz
1kV
5kHz
4
4kV
2.5kHz
2kV
5kHz
※
特定
特定
特定
特定
试验时，产生电快速瞬变脉冲群发生器的主要特性参数（在接50Ω负载时）是：
1）有正负极性。
2）单个脉冲的上升时间为5ns±30%。
3）脉冲持续时间（半峰值）为50ns±30%。
4）与供电电源异步。
5）脉冲群持续时间为15ms±20%。
6）脉冲群周期为300ms±20%。
7）脉冲重复率：
开路输出电压为0.25、0.5、1、2kV时为5kHz±20%；开路输出电压为4kV时为2.5kHz±20%。
8）开路输出电压为0.25kV（1-10%）～4kV（1+10%）。
有关试验程序可参阅[10]。
图1.7电快速瞬变脉冲群
1.5.3浪涌（冲击）抗扰度
浪涌的主要来源包括电源系统的切换瞬变、各种系统的故障（如接地系统间的短路等）和雷电瞬变（包括直击雷和感应雷）等。
浪涌的特点是上升沿的变化速度快，瞬态功率大。
用于控制系统的浪涌试验波形如图1.8所示，其中1.2/50为电压波形，8/20为电流波形。
根据IEC61000-4-5:
1995，控制系统浪涌抗扰度的电压试验等级如表1.4所示。
图1.82/50波形和8/20波形
试验时首先要确定试验部位（如电源、I/O、通信等端口）；在每个试验部位，正负极性的干扰至少要各加5次，每次浪涌的最大重复率为1次/分。
相对于交流电源，干扰波应同步在电源波形的过零点和正负峰值点上。
试验电压逐步增加到规定的电平值，试验电压逐次加在每一根线与地之间。
试验电压不能随意超过规定的要求。
在后面有关雷电保护的章节里，我们还将详细讨论控制系统的浪涌保护。
表1.4浪涌抗扰度的试验等级（kV）
试验等级
开路试验电压（±10%），kV
1
0.5
2
1.0
3
2.0
4
4.0
※
特定
1.5.4静电抗扰度
静电系由非常低的能量累积以电容模式储存在人体或设备表面，由突发触及使其储能以极大的速度崩溃放电而成，其频宽可由数百MHz到数个GHz。
静电放电具有高电位、低电量、小电流和作用时间短的特点。
其放电过程如图1.9所示。
由图可知，由于静电放电波形的上升沿时间很短，约1纳秒左右，电流的变化率很大，所以对电路的影响很大，特别是对CMOS器件，因为其氧化膜的耐压界限一般仅为（100-150）V。
任何物体间的接触和分离就会有静电产生，从控制系统的制造到使用，包括运输、存放以及操作人员在人机界面上的接触，都有静电的释放。
其中人体是最主要的静电放电源头。
控制系统静电放电的试验过程是模拟操作人员在接触控制系统时的放电，以观察被试的控制系统抵抗静电放电干扰的能力。
该试验包括：
接触放电和空气放电。
根据文献[8]，控制系统静电放电抗扰度试验等级如表1.5所示。
由于接触放电和空气放电有不同的放电形式，因此相同的放电电压并不意味着有相同的试验等级。
控制系统的整体机柜、各类卡件、电源或配电箱、端子板或接线排等部件应进行静电放电抗扰度试验。
所考虑的试验点应包括：
与地绝缘的金属外壳、与操作人员容易接触的区域以及指示器、发光二极管、缝隙、栅格等。
表1.5静电放电抗扰度试验等级
试验等级
接触放电电压（kV）
空气放电电压（kV）
1
2
2
2
4
4
3
6
8
4
8
15
*
特定
特定
图1.9静电放电波形
对控制系统，为防止因静电放电所引起的故障，如何提高它的静电抗扰度，我们将在后面的章节里再作详细的讨论。
1.5.5工频磁场抗扰度
工频磁场是最常见的干扰源。
如导体中的工频电流，变压器等电力设备的漏磁通等。
工频磁场可以分以下两种情况：
1）正常运行条件下的电流所产生稳定的磁场，其幅值较小（1～100）A/m。
2）故障情况下的电流，能产生幅值较高、但持续时间较短的磁场，直到保护装置动作为止（300～1000）A/m。
工频磁场的试验等级分稳定和短时作用（1s～3s）两种，共5个试验等级。
其试验等级见表1.6。
表1.6工频磁场的试验等级
试验等级
磁场强度A/m
稳定持续磁场
1s～3s的短时
1
-
1
2
-
3
3
-
10
4
300
30
5
1000
100
※
特定
特定
1.5.6脉冲磁场抗扰度
脉冲磁场是由雷击建筑物和其它金属构架（包括天线杆、接地体和接地网）以及由在低压、中压和高压电力系统中故障的起始暂态产生的。
在高压变电所，脉冲磁场也可由断路器切合高压母线和高压线路产生。
对控制系统而言，威胁最大的是雷击时在空间产生的脉冲磁场。
脉冲磁场的试验等级见表1.7。
表1.7脉冲磁场的试验等级
试验等级
脉冲磁场强度A/m（峰值）
1
-
2
-
3
100
4
300
5
1000
※
特定
对控制系统，为防止因脉冲磁场所引起的故障，我们将在后面的《控制室格栅型屏蔽的设计计算》里再作详细的讨论。
1.5.7射频电磁场辐射抗扰度
射频电磁场辐射来源于下列的一些情况，如：
1）系统的操作、维护和检查人员在使用移动电话或对讲机；
2）包括电台、电视发射台、发射机以及各种工业电磁辐射源的作用和影响。
射频电磁场辐射可以使话音系统语言清晰度变坏，图像显示系统变得模糊并出现差错，指针式仪表系统指示错误、抖动和乱摆，控制系统失控乃至误控，模拟信号传送波形和相位的失真，以及数字信号传送出错等等。
图1.10的左边是早年射频电磁场的试验波形：
（27-500）MHz，未调制，Vp-p=2.8V,Vrsm=1.0V。
右边是现在更加严峻的电磁试验波形：
（80-1000）MHz，1kHz正弦波进行调制，调制深度80%，Vp-p=5.18V,Vrsm=1.12V。
图1.10射频电磁场辐射抗扰度试验频率及波形
根据文献[9]，控制系统射频电磁场辐射抗扰度的试验等级如表1.8所示。
图1.11为进行射频电磁场辐射试验的电波暗室。
它必须要有足够的空间，五面敷设吸波材料，在整个平面中场的变化令人满意地小。
表1.8射频电磁场辐射抗扰度的试验等级
试验等级
试验场强，V/m
1
1
2
3
3
10
※
特定
图1.11电波暗室
由于射频电磁场辐射抗扰度要在电波暗室里进行，非一般制造商能力所及。
一种简便的测试方法是利用功率为p，频率为80MHz～1000MHz的步话机作干扰源，距被测设备为d，其产生的电场强度的统计平均值E为：
式中：
E——电场强度，V/m；
P——步话机功率，W；
d——距离，m。
1.5.8射频场感应的传导骚扰抗扰度
射频场感应的传导骚扰主要来源是在开关电源、变频器等射频发射设备的电磁场作用下，于控制系统的电源线、通信线、接口电缆等连接线路上产生的传导骚扰。
其频率范围为9kHz～80MHz。
其试验等级如表1.9所示，频率范围为（150k-80M）Hz，对（9-150）kHz没有提出要求。
电压是以有效值（rms）表示的未经调制的开路试验电平。
表1.9射频场感应的传导骚扰抗扰度试验等级
频率范围150kHz～80MHz
试验等级
电压
U0，dB（µV）
U0，V
1
120
1
2
130
3
3
140
10
1.5.9评定抗扰度试验结果的通用原则（性能判据）
评定抗扰度试验结果的通用原则是如下的四个性能判据等级[15]：
性能判据1：
试验时，在技术规范极限内性能正常。
即性能不能有偏离制造商所规定技术规范的明显降级。
性能判据2：
试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复。
如试验时，某设备的模拟功能数值出现可容许的偏差。
试验后，偏差消失。
性能判据3：
试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但需要操作者干预或系统复位。
如试验时导致过电流保护装置断路，由操作者更换或复位该过电流保护装置。
性能判据4：
由于设备、元器件、软件的损坏，或数据丢失，造成不能恢复的降级或功能丧失。
性能判据4通常是不能接受的。
对性能判据2和3，应按被控过程的连续与否以及运行的重要性确认是否认可。
1.5.10电磁兼容性的发射
根据前面对电磁兼容性（EMC）的定义可知，设备的电磁兼容性不但包括对干扰的抗扰度，还应该包括不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力，即所谓的发射要求。
控制系统（如DCS、PLC等）的电磁发射可能会干扰其它的设备。
电磁发射又包括电磁辐射发射（RE）和传导发射（CE）两种。
根据[15]，控制系统的发射要求应满足该标准规定的A类设备的发射限值（见表1.10）。
这些发射限值代表着基本的电磁兼容性要求，并且经过选择能保证在工业场所正常工作的设备所产生的骚扰电平不会妨碍其它设备的正常工作。
电磁辐射发射往往源自系统设备电路里诸如时钟的高频振荡电路。
抑制电磁辐射的一般措施为：
A.改进电路板设计，高速的信号线要尽可能的短，避免长线传输。
时钟信号的环路面积要尽可能的小。
时钟电路和时钟线都应远离I/O端口和通信端口。
此外，加大印刷线之间的距离以减少线间耦合。
B.尽可能的减小线路中的接地线阻抗。
C.采取屏蔽措施。
D.在容易产生发射的信号线上适当地加铁氧体磁环可以减弱电磁辐射发射。
电磁辐射发射测量一般都在如图1.11所示的电波暗室里进行。
其典型的测量框图如图1.12所示。
控制系统可以有不同形式的配置，包括卡件的种类、数量和安装等。
因而不必对每一种配置进行试验，这是合理的，也是标准[15]所推荐的。
为了真实地模拟EMC条件（与发射和抗扰度都有关的），设备组合应该代表由制造商规定的一种典型的安装设施。
这些试验应作为型式试验在由制造商规定的正常条件下进行。
表1.10A类设备的发射限值
端口
频率范围MHz
限值
注释
外壳
（辐射发射）
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