淺論電子自動化控制中的電磁干擾及防護(hù)對策

湖南省地質(zhì)中學(xué) 隋 浩

淺論電子自動化控制中的電磁干擾及防護(hù)對策

湖南省地質(zhì)中學(xué) 隋 浩

在新型工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程中，信息技術(shù)應(yīng)用廣泛開展。其中，電子自動化技術(shù)在改造傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)裝備，構(gòu)建現(xiàn)代工業(yè)格局等方面，擔(dān)負(fù)了裝備信息化的重任。電子自動化控制裝置在運(yùn)行過程中，常常遇到各種各樣的電磁干擾，影響了穩(wěn)定性、可靠性，降低了生產(chǎn)質(zhì)量及效率。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重情況時(shí)，電磁干擾將導(dǎo)致死機(jī)，中斷運(yùn)行。本文就電子自動化控制裝置運(yùn)行過程中有關(guān)電磁干擾的危害及其防護(hù)對策進(jìn)行了探討，指出了相應(yīng)抗干擾舉措，重點(diǎn)對裝置外向接口防護(hù)提出了應(yīng)對措施。

電子自動化控制；電磁干擾；防護(hù)

1 電子自動化控制裝置的電磁干擾

1.1 靜電干擾

在現(xiàn)代，人們科學(xué)地把數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算統(tǒng)一起來，運(yùn)用到程序存儲與控制，這也就是常說的計(jì)算機(jī)。數(shù)字運(yùn)算在中央處理器（CPU）中完成，并可通過總線掛接可編程邏輯門陣列，完成自動化算法全過程。當(dāng)然，一個(gè)自動化控制裝置，還有模擬信號的預(yù)處理、輸出等模塊。這些電子元器件、部件、電路構(gòu)成的設(shè)備或裝置，遇上靜電，有可能使運(yùn)行信號失真、誤碼，或同步丟失，造成自動化執(zhí)行機(jī)構(gòu)亂動作；嚴(yán)重的，直接擊穿半導(dǎo)體器件的PN結(jié)造成不可逆損毀。有些生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)的產(chǎn)品，也是半導(dǎo)體產(chǎn)品，如MOS大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路，許多的PN結(jié)可一并擊穿，造成極大的損失。某生產(chǎn)工藝,一年內(nèi)因靜電造成的廢次品就損失100多億美元。

靜電，由于在電路高阻抗端，難以泄放，不斷積累，電位越來越高。在人體的化纖服飾上，電位可高達(dá)1萬多伏，而PN結(jié)的反向擊穿電壓比較低，約7、8伏數(shù)量級，也有稍微高一點(diǎn)的。靜電電位有這么高，電路上相對某點(diǎn)的電位差（電壓）也就不低，實(shí)驗(yàn)測試表明，常常有幾百伏，擊穿現(xiàn)象不時(shí)發(fā)生。

靜電，可使運(yùn)算放大器單元共模電壓增高，致使運(yùn)放電路工作狀態(tài)失常，輸出信號發(fā)生畸變。靜電，吸附空氣中的塵埃，污染設(shè)備。靜電，在電極上、在物料中，有積累成高電位情況時(shí)，使空氣或絕緣材料擊穿，產(chǎn)生火花放電。火花放電對易燃易爆物料的生產(chǎn)作業(yè)造成極大的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 電磁感應(yīng)干擾

電荷在導(dǎo)體中的定向移動，稱為電流。或者是，電流是通過導(dǎo)體任意橫截面的運(yùn)動電荷對時(shí)間的變化率。電流產(chǎn)生磁場。恒穩(wěn)電流產(chǎn)生恒穩(wěn)磁場，交變電流產(chǎn)生交變磁場。1873年，英國科學(xué)家麥克斯韋在他的《電磁學(xué)通論》中，對于交變磁場產(chǎn)生交變電場作出了假說，認(rèn)為不管有無導(dǎo)體回路存在，變化的磁場總是在空間激發(fā)電場。這個(gè)假說早已被近代的科學(xué)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。電子感應(yīng)加速器的原理，就是用變化的磁場所激發(fā)的電場來加速電子的。交變電磁場相依共存，并服從麥克斯韋方程組的規(guī)律。這種交變電磁場在空間以波的形式傳播，稱其為電磁波。

在探究動態(tài)電磁干擾時(shí)，我們一般以交變電磁場（電磁波）傳播區(qū)域或距離來辨析。第一種情況，場源至λ/2π的區(qū)域，為強(qiáng)電磁感應(yīng)近場區(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，互感或互耦。第二種情況，自λ/2π至（3—10）λ，弱感應(yīng)的近場區(qū)。第三種情況，多個(gè)波長以遠(yuǎn)，輻射遠(yuǎn)場區(qū)。有關(guān)近場和遠(yuǎn)場的劃分，并沒有統(tǒng)一的定論。近場和遠(yuǎn)場，也不存在嚴(yán)格的界限，但不同區(qū)域有不同的物理特性。在遠(yuǎn)場區(qū)，遵循麥克斯韋傳播規(guī)律。在工業(yè)自動化方面，由于電氣設(shè)備、線路產(chǎn)生的交變電磁場頻譜分量的頻率范圍主要集中在短波及以下，波長10m以上，相關(guān)區(qū)域基本都處于近場區(qū)，電磁感應(yīng)效應(yīng)是其主要物理模式。

電磁感應(yīng)產(chǎn)生的交變電場、感應(yīng)磁場、渦旋電場，使自動化控制裝置的金屬部位、引腳、走線、電極以及磁性元器件互相感應(yīng)、互相耦合，錯(cuò)綜復(fù)雜交織在一起，產(chǎn)生新生的信號或造成有用信號失真，形成干擾。

1.3 加性電磁輻射干擾

當(dāng)數(shù)字或模擬信號在模塊與模塊之間、模塊與總線之間、接口與其他設(shè)備之間的傳送信道上傳輸時(shí)，除電磁感應(yīng)造成信道損傷外，在信號輸入端必然混入加性電磁輻射干擾信號。即使沒有這類近場區(qū)電磁感應(yīng)干擾，處于遠(yuǎn)場區(qū)的甚至遙遠(yuǎn)的射頻電磁波通過天線效應(yīng)作用于信號輸入端，同樣是加性電磁輻射干擾。加性電磁輻射干擾與加性白噪聲在信道中傳輸路徑可以等效，但對有用信號的作用性質(zhì)則不同，將嚴(yán)重影響信號整形、判決、再生，造成誤碼，甚至中斷傳輸。

2 防護(hù)對策

2.1 接地

接地措施的作用集中在：泄放靜電；平衡各型設(shè)備或設(shè)施的工作電位；提供人體接地的條件。需要注意的是，地電位在局部區(qū)域受到雷電流入地等特殊情況時(shí)，是不平衡的。因此，工作接地應(yīng)隔開一定距離，有時(shí)設(shè)計(jì)成多點(diǎn)接地方式。一些單相設(shè)備的零線和地線不得混用，零地電壓有嚴(yán)格的要求。例如，精密設(shè)備的零地電壓，應(yīng)控制在1V以下。抗人體靜電的主要方式是在工作區(qū)域，設(shè)置抗靜電地板并配套抗靜電鞋襪，必要時(shí)，應(yīng)佩戴接地腕帶、腳帶。

2.2 嚴(yán)格集成裝配工藝

成套設(shè)備的裝配及配套設(shè)備的集成有相對方位要求。主要是其含有的電磁感應(yīng)敏感器件、部件的磁場磁力線、電場電力線需正交，以減少互感互耦，強(qiáng)、弱電線路要分開，保證一定的最小距離。接口線路的輸入、輸出也要分離。對接地電位平衡有較高要求的，應(yīng)采取電位隔離措施。一些設(shè)備高電平部位與低電平部位要求分開接地，高低電平設(shè)備之間不發(fā)生導(dǎo)體或?qū)Ь€連接，其接口采用光釬接口。采用銅線或其他金屬導(dǎo)線連接的接口線路應(yīng)考慮使用屏蔽信號電纜、雙絞線和同軸電纜。密絞雙絞線可向下兼容稀絞雙絞線，反之不然。

2.3 電磁屏蔽

對來自其他工業(yè)電氣設(shè)備的電磁感應(yīng)或電磁波輻射，應(yīng)采取方位屏蔽的措施，可在該方位設(shè)置金屬棚、網(wǎng)并接地。高精度設(shè)備或?qū)﹄姶怒h(huán)境有特殊要求的設(shè)備應(yīng)裝配在金屬屏蔽室中，或?qū)C(jī)房改造成屏蔽房間。對外連接傳感探頭、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及供電線路、信號傳輸線，一律通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接。下面為我們測得的一組屏蔽效能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 屏蔽效能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

抗電磁干擾采用屏蔽措施，設(shè)計(jì)高性能自動化控制裝置，也采用屏蔽措施，其主要目的，是減少電磁泄漏，控制電磁干擾的生成。例如，時(shí)基振蕩器或本地振蕩器，設(shè)計(jì)在獨(dú)立的屏蔽盒內(nèi)，各面盡可能是全金屬。

2.4 抗人體靜電

設(shè)計(jì)或改造機(jī)房，應(yīng)設(shè)置接地環(huán)并有效接地。機(jī)房應(yīng)裝配抗靜電地板。工作人員應(yīng)勤洗手，換上專用抗靜電或純棉的工作服及鞋襪。某些工位，要求佩戴金屬腕帶、腳帶。

2.5 供電電源凈化

對供電電力線路有較高要求的設(shè)備、裝置，應(yīng)設(shè)置凈化電源供電。常用凈化方式有兩種：一種是通過電池化學(xué)能轉(zhuǎn)換；另一種是機(jī)械動力轉(zhuǎn)換，也就是再發(fā)電。

3 結(jié)束語

電子自動化控制裝置，對靜電，電磁感應(yīng)、加性電磁輻射有較強(qiáng)的敏感性，易于受到干擾。在電子自動化控制裝置的規(guī)劃設(shè)計(jì)，運(yùn)行保障和維護(hù)改造等過程中，應(yīng)重視加強(qiáng)防護(hù)。有效防護(hù)措施有：接地、互感器件正交、電磁屏蔽、抗人體靜電以及對供電線路凈化等。值得重視的，是信號線路相對地電位平衡問題。必要時(shí)，相對獨(dú)立部件和設(shè)備應(yīng)采用光纖接口傳輸，避免導(dǎo)體或?qū)Ь€的物理接觸。

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