淺論電子自動化控制中的電磁干擾及防護對策

湖南省地質中學 隋 浩

淺論電子自動化控制中的電磁干擾及防護對策

湖南省地質中學 隋 浩

在新型工業化發展進程中，信息技術應用廣泛開展。其中，電子自動化技術在改造傳統工業生產裝備，構建現代工業格局等方面，擔負了裝備信息化的重任。電子自動化控制裝置在運行過程中，常常遇到各種各樣的電磁干擾，影響了穩定性、可靠性，降低了生產質量及效率。當發生嚴重情況時，電磁干擾將導致死機，中斷運行。本文就電子自動化控制裝置運行過程中有關電磁干擾的危害及其防護對策進行了探討，指出了相應抗干擾舉措，重點對裝置外向接口防護提出了應對措施。

電子自動化控制；電磁干擾；防護

1 電子自動化控制裝置的電磁干擾

1.1 靜電干擾

在現代，人們科學地把數值運算和邏輯運算統一起來，運用到程序存儲與控制，這也就是常說的計算機。數字運算在中央處理器（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。當然，一個自動化控制裝置，還有模擬信號的預處理、輸出等模塊。這些電子元器件、部件、電路構成的設備或裝置，遇上靜電，有可能使運行信號失真、誤碼，或同步丟失，造成自動化執行機構亂動作；嚴重的，直接擊穿半導體器件的PN結造成不可逆損毀。有些生產裝置，生產的產品，也是半導體產品，如MOS大規模集成電路、超大規模集成電路，許多的PN結可一并擊穿，造成極大的損失。某生產工藝,一年內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1萬多伏，而PN結的反向擊穿電壓比較低，約7、8伏數量級，也有稍微高一點的。靜電電位有這么高，電路上相對某點的電位差（電壓）也就不低，實驗測試表明，常常有幾百伏，擊穿現象不時發生。

靜電，可使運算放大器單元共模電壓增高，致使運放電路工作狀態失常，輸出信號發生畸變。靜電，吸附空氣中的塵埃，污染設備。靜電，在電極上、在物料中，有積累成高電位情況時，使空氣或絕緣材料擊穿，產生火花放電。火花放電對易燃易爆物料的生產作業造成極大的風險。

1.2 電磁感應干擾

電荷在導體中的定向移動，稱為電流。或者是，電流是通過導體任意橫截面的運動電荷對時間的變化率。電流產生磁場。恒穩電流產生恒穩磁場，交變電流產生交變磁場。1873年，英國科學家麥克斯韋在他的《電磁學通論》中，對于交變磁場產生交變電場作出了假說，認為不管有無導體回路存在，變化的磁場總是在空間激發電場。這個假說早已被近代的科學實驗所證實。電子感應加速器的原理，就是用變化的磁場所激發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。

在探究動態電磁干擾時，我們一般以交變電磁場（電磁波）傳播區域或距離來辨析。第一種情況，場源至λ/2π的區域，為強電磁感應近場區。在這個區域內，互感或互耦。第二種情況，自λ/2π至（3—10）λ，弱感應的近場區。第三種情況，多個波長以遠，輻射遠場區。有關近場和遠場的劃分，并沒有統一的定論。近場和遠場，也不存在嚴格的界限，但不同區域有不同的物理特性。在遠場區，遵循麥克斯韋傳播規律。在工業自動化方面，由于電氣設備、線路產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，相關區域基本都處于近場區，電磁感應效應是其主要物理模式。

電磁感應產生的交變電場、感應磁場、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、互相耦合，錯綜復雜交織在一起，產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

當數字或模擬信號在模塊與模塊之間、模塊與總線之間、接口與其他設備之間的傳送信道上傳輸時，除電磁感應造成信道損傷外，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電磁感應干擾，處于遠場區的甚至遙遠的射頻電磁波通過天線效應作用于信號輸入端，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則不同，將嚴重影響信號整形、判決、再生，造成誤碼，甚至中斷傳輸。

2 防護對策

2.1 接地

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

2.2 嚴格集成裝配工藝

成套設備的裝配及配套設備的集成有相對方位要求。主要是其含有的電磁感應敏感器件、部件的磁場磁力線、電場電力線需正交，以減少互感互耦，強、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，應采取電位隔離措施。一些設備高電平部位與低電平部位要求分開接地，高低電平設備之間不發生導體或導線連接，其接口采用光釬接口。采用銅線或其他金屬導線連接的接口線路應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

對來自其他工業電氣設備的電磁感應或電磁波輻射，應采取方位屏蔽的措施，可在該方位設置金屬棚、網并接地。高精度設備或對電磁環境有特殊要求的設備應裝配在金屬屏蔽室中，或將機房改造成屏蔽房間。對外連接傳感探頭、執行機構，以及供電線路、信號傳輸線，一律通過標準接口連接。下面為我們測得的一組屏蔽效能的試驗數據。

表1 屏蔽效能試驗數據

抗電磁干擾采用屏蔽措施，設計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，時基振蕩器或本地振蕩器，設計在獨立的屏蔽盒內，各面盡可能是全金屬。

2.4 抗人體靜電

設計或改造機房，應設置接地環并有效接地。機房應裝配抗靜電地板。工作人員應勤洗手，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備、裝置，應設置凈化電源供電。常用凈化方式有兩種：一種是通過電池化學能轉換；另一種是機械動力轉換，也就是再發電。

3 結束語

電子自動化控制裝置，對靜電，電磁感應、加性電磁輻射有較強的敏感性，易于受到干擾。在電子自動化控制裝置的規劃設計，運行保障和維護改造等過程中，應重視加強防護。有效防護措施有：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，相對獨立部件和設備應采用光纖接口傳輸，避免導體或導線的物理接觸。

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