仪表测控系统中的抗干扰技术

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摘要：针对现代工业生产中仪表测控系统中的干扰问题的复杂性，首先介绍了仪表测控系统的主要干扰。然后对电磁干扰分析，阐述了干扰的抑制防范措施，对症下药，合理有效的抑制干扰。

关键词：测控系统，电磁干扰，干扰抑制

中图分类号：P24 文献标识码：A

1. 引言

在当今的各种电子测量装置系统中，而目前现场总线技术、网络技术已得到迅速发展和广泛应用，干扰是个极其普遍的问题，也是个严重的问题，尤其是在大型DCS或PLC为主的仪表测控系统中，有效地排除和抑制各种干扰，已成为必需探讨和迫切解决的首要问题，由于各种干扰（噪声）对仪表测控系统的多种监测装置或控制装置产生干扰电流（电压），不仅能造成逻辑混乱，使系统测量和控制失灵，以致降低产品的质量，甚至使生产设备损坏，造成事故。因此，在仪表测控系统的设计、制造、安装和日常维护中，必须重视抗干扰技术的应用。

2. 仪表测控系统的干扰来源及分析

我们通常说的干扰主要是电力网络和电气设备的暂态过程、雷电等引起空间的辐射干扰和系统电源线、信号引线、接地等引起的系统外引线干扰。对仪表测控系统的干扰无外乎由于辐射、温度、湿度、振动、传输、感应、电源、接地几个方面造成的。

在仪表测控系统中所使用的信号一般是微弱的直流或变化缓慢的交变信号，最后还要通过信号线长距离(有时信号线长达几百米甚至更长)传输，因此在信号传输过程中像大功率马达和其它电气设备产生的电磁场以及周围各种电磁辐射的存在和变化都将以不同的路径和方式形成电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。电磁干扰必须具备三要素：即电磁干扰源、耦合途径及敏感设备。

所谓电磁干扰源，一般是指产生干扰的元件、设备或信号。如电机、继电器、高频时钟、雷电等等在一定条件下均可能形成为干扰源。而测控系统电磁干扰的主要来源分为内部干扰和外部干扰。

内部干扰是应用系统本身引起的各种干扰，包括固定干扰和过度干扰。固定干扰是指信号间的相互串扰、长线传输阻抗失配时反射噪声、负载突变噪声以及馈电系统的浪涌噪声等。过度干扰是指电路在动态工作时引起的干扰。

外部干扰是由系统外部窜入到系统内部的各种干扰。包括某些自然现象(如闪电、雷击、地球或宇宙辐射等)引起的自然干扰和人为干扰(如电台、通讯发射台、车辆、家用电器、电器设备等发出的电磁干扰以及电源的工频干扰。)一般来说，自然干扰对系统影响不大，而人为干扰是外部干扰的关键。

所谓耦合途径是指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。仪表测控系统中典型的耦合途径通常有静电耦合（通过杂散电容耦合到电路中去）、电磁耦合（即经互感耦合到电路中去）、共阻抗耦合（电流流经两个以上电路之间的公共阻抗耦合到电路中去）、漏电流耦合（即由于绝缘不良由流经绝缘电阻的电流耦合到电路中去）、传导耦合（导线经过噪声源附近，拾取噪声，例如经过电源传导）、辐射电磁场耦合（功率高频电气设备、广播、电视、各种电台、无线电基站、雷达、无线导航台和信标机、汽车点火系统、医疗设备甚至家用电器等等通过辐射耦合到电路中去）。

所谓敏感设备或接收电路，是指当测控系统受到外部或者内部电磁干扰源所发射的电磁的作用时，容易扰的器件对象。许多器件设备或分系统既可以是电磁干扰源又是敏感设备（如：信号放大器、A/D、单片机、D/A等）。

来自空间的辐射干扰直接对仪表测控系统设备内部辐射，由电路感应产生干扰，或是对系统的设备及通讯网络辐射，再由设备和通信线路的感应引入干扰，信号线受到作用影响，严重时会引起元件损坏，逻辑出错和大的系统故障。辐射干扰有多种途径由内部向外传播：a.通过设备的天线辐射，即通过天线辐射的主瓣、旁瓣、后瓣等功能性途径向外辐射；b.透过设备的机壳向外辐射，这是由于机壳的材料与厚度不足以将穿过它的电磁波衰减掉，或者机壳接地不良，未能对电磁波起屏蔽作用；透过设备机壳上各种缝隙，如轴孔、连接器孔、通风孔等的泄露向外辐射；c.通过设备间的连接电缆和装配不好的连接器向外辐射，也可通过编织屏蔽层的泄漏向外辐射；d.非正常辐射：干扰源辐射的电磁波在其邻近的金属构件上感应出电流与电压，并通过开关效应和非线性效应等产生宽带干扰。

传输干扰主要是通过传感器、供电电源、公用信号仪表电源、配电器等来作用于系统。测控系统的屏蔽接地线、机壳接地线、信号接地线、功率地线、交流电源地线等引起的噪声耦合干扰均会影响系统，这些传输干扰主要来自接地系统混乱。

3. 干扰的抑制防范措施

电磁干扰是指自然干扰源或人为干扰源对有用电磁信号的损害。当不希望的电压和电流影响设备性能时，称之为存在电磁干扰，我们知道，这些电压和电流一般是通过传导或电磁场辐射传给受害的设备，降低电子设备的工作质量。

为保证电子设备在特定电磁环境中免受内外电磁场干扰，综合电磁干扰的三要素，必须从设计开始便采取三方面的抑制措施：抑制噪声源以直接消除干扰原因；消除噪声源与受干扰设备之间的噪声耦合和辐射；加强电子设备抗电磁干扰的能力。

3.1 滤波

传导干扰可分为电容性、电感性和共阻抗性三种干扰方式，传导干扰主要由互连线和电源传播。这种干扰方式比较隐蔽，仪表设备需PCB良好设计，系统采用多次滤波技术，也可综合采用屏蔽、滤波、接地和隔离等技术来解决。

滤波是抑制测控系统中仪表设备模拟量输入通道传导干扰的主要手段之一，模拟量输入通道受到的干扰有差模干扰（常态干扰）和共模干扰（共态干扰）两种。对于模拟量信号回路，差模干扰存在于电源相线与中线之间，可以采用加装滤波的措施；共模干扰是指电源线对大地，或中线对大地之间的电位差，可以通过双端对称输入采用回路来抑制。

图1 差模干扰图2 共模干扰

3.2 隔离

仪表测控系统可能包括很多种输入输出信号，我们可以将输入信息和输出信息进行隔离，可有效减少干扰的侵入。例如：各种设备的监控系统、微机保护装置及其它自动装置所用的模拟量，大多数都来自电压互感器，它们均处于强电回路中，不能直接进入测控系统，必须经过设置相应的隔离换压设备，而在这些隔离换压设备一、二次之间设有屏蔽层，通过屏蔽层的安全接地，起到较好的屏蔽和隔离效果。系统开关量的输入输出控制也要采取相关隔离措施，以免对系统产生影响。

3.3 屏蔽与接地

对辐射干扰，则屏蔽是减少其辐射能量的一种最有效方法，屏蔽可以反射或吸收高频电磁能量，阻止电磁能的进一步传播扩散，把高频电磁强度降到一定限度内。带有接地的金属屏蔽壳体可以将放电电流释放到底。但是屏蔽外壳的不连续（如有接缝、开孔），静电便能造成壳体与内部电路之间（由分布电容形成）的电位差，会在电路中产生新的电压，影响电路的正常工作。解决这种放电引起的干扰，一种是将电路完全屏蔽；另一种是在外壳与电路之间增加第二层屏蔽层，屏蔽层接到电路的公共接地点上。

静电放电可通过直接传导、电容耦合和电感耦合的三种方式进入电子线路。直接对电路的静电放电经常会引起电路的损坏。然而对邻近物体的放电，通过电容或电感耦合，会影响到电路工作的稳定性。为了消除静电放电的危害，首先想到的是要阻止电流直接进入系统的电子线路。最普通的办法就是建立完善的屏蔽结构。

对于测控系统中的一些电磁敏感设备，接地电位不统一，便会产生干扰，在各种设备设计和安装使用的过程中，需将接地和屏蔽结合起来考虑，可解决大部分干扰问题。正确处理好一次系统接地问题，减少配电场高频瞬变电压幅值和地网中不同点的瞬变电位差，很大程度上减少了干扰源。在处理一次系统接地时，应注意：设备接地线要接在地网导体的交叉处；设备接地处要增加接地网络互连线；避雷器、避雷针接地点应采用两根以上的接地线和加密接地网格。为了给微机、电子等设备一个电位基准，保证其可靠运行，防止地环流引起的干扰一定要接工作地。

系统的连接电缆采用带有金属外皮（屏蔽层）的控制电缆，当屏蔽层一端接地时，屏蔽层电压为零，可显著减少静电感应（电容耦合）电压；当两端接地时，干扰磁场在屏蔽层中感应电流，该电流产生的磁通与干扰磁通方向相反，互相抵消，因而能显著降低磁场耦合感应电压。

对输入输出电缆来说，为了避免由它引入的静电放电而在内部电路上产生危害，有必要在电缆到内部线路的人口处增加保护器件，器件的快速响应性能，使瞬态电流迅速旁路到地。注意，这里的地应该与外壳之间有最近的连接点，避免放电电流在内部电路的地线上有过长的通路。

线间相互干扰的因素是电流、电压、频率等，所以在正式布线之前，要将线路分类，其主要的分类方法是按功率电平来进行，以每30dB功率电平分成若组如表1：

分级 功率范围 特点

A ＞40dBm 高功率直流、交流和射频源（EMI源）

B 10～40dBm 低功率直流、交流和射频源（EMI源）

C -20～10dBm 脉冲和数字源、视频输出电路（音频视频源）

D -50～20dBm 音频和传感器敏感电路、视频输入电路（视频敏感电路）

E -80～50dBm 射频、中频输出电路、安全保护电路（射频敏感电路）

F ＜-80dBm 天线和射频电路

表 1 线路分组

软件抗干扰技术：工业现场的复杂环境硬件抗干扰措施无能为力，譬如工控机死机了或者控制出错了，这将给生产带来可怕后果。因此使用软件抗干扰措施避免和减轻这些意外事故犹为重要。通常使用的软件抗干扰技术有：实时控制软件运行过程中的自监视法、实时控制系统的互监视法和重要数据备份法。

3.4 软件抗干扰技术

在环境复杂的工业现场，硬件抗干扰措施能量不及时，譬如工业PC机死机或者控制出错，均可能给生产带来可怕后果。为有效的提高仪表测控系统中的抗干扰能量，除了屏蔽、接地、隔离、滤波等硬件技术外，在系统的软件方面也应该配有相应的措施。通常使用的软件抗干扰技术有：实时监控软件的初始自检与件运行过程中的自监视法、实时控制系统的互监视法和冗余系统以及数据备份。

另外综合系统的计算机电源都取自交流 220V，当其受到其它电网冲击时，电压和频率产生的波动将直接影响系统运行的稳定性和可靠性，严重时造成系统死机，耽误生产。通常最简单实用的办法是加装不间断电源，一方面可抑制电网低频常态干扰，另一方面是在电源断时能直接给计算机供电，保证计算机的持续运行。此外，也要加装电源滤波器、隔离变压器、氧化锌压敏电阻等抗干扰冲击设备。

4. 结论

仪表测控系统是现代控制系统的核心组成部分，众多干扰源以不同的耦合途径干扰着系统，而很多仪表设备又是敏感设备，不同程度影响了系统的测量与控制精度，严重时，使系统工作完全失常。针对电磁干扰的三要素，采取屏蔽、接地、隔离、滤波等多种抗干扰技术，再加上软件抗干扰措施，可有效地提高仪表测控系统的电磁兼容能力，保证整个系统工作的稳定性。

5. 参考文献

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[2] 孙海洋,谷川.电子电路中的抗干扰技术[J].《科技创新导报》2009

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