自動化儀表的電磁兼容分析

彭根深

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

近年來，自動化儀表廣泛應用于工農業生產和人們的日常生活，極大推動了社會經濟的發展，提高了人們的生活水平。但是，自動化儀表的電磁干擾問題也備受社會各界關注。為了降低電磁干擾對自動化儀表的影響，提高自動化儀表的電磁兼容性，必須采取有效技術措施，提高自動化儀表的抗電磁干擾能力。

1 電磁兼容性概述

1.1 電磁兼容性（EMC）

所謂電磁兼容性，指設備在相同的電磁環境下，可以同時正常發揮各自的功能。即設備運行過程中，不會受到相同電磁環境下其他設備發出的電磁信號的干擾，也不會影響其他設備正常工作[1]。通常情況下，電磁干擾必須具備干擾源、耦合路徑以及敏感設備三大要素。其中，干擾源是電磁能量的發射裝置，耦合路徑是承載電磁能量的介質，受到電磁干擾的設備就是敏感設備。為了提高設備的抗電磁干擾性，電磁兼容性設計過程中，必須找出以上三大要素，采取有效措施，降低電磁干擾對設備的影響，確保設備正常運行。

1.2 電磁兼容設計的要點

第一，濾波。濾波指經過科學計算，將具有一定參數的電感、電容和電阻以一定的方式進行排列，判斷分析信號頻率，從中提取有效的信號頻率分量，隔絕干擾頻率的影響，達到降低電磁干擾的目的。濾波器設計過程中，應注意分開設置濾波器的輸入和輸出線路，盡量縮短濾波器的輸出線路，減少其對自動化儀表產生的二次干擾。此外，濾波器選擇時，可以通過增加回路的方式，實現多個回路的同時防護。

第二，屏蔽。所謂屏蔽，即在制作自動化儀表的外殼和顯示屏的過程中，采用導磁、導電材料，將周圍的電磁干擾隔絕在外殼和顯示屏外，借助外殼、顯示屏的屏蔽作用，削弱電磁干擾的影響。常見的屏蔽設計方法包括磁場屏蔽、電屏蔽以及電磁屏蔽三種。

第三，接地。自動化儀表系統設計過程中，通過與地面導通，實現系統中所有元件零電位的相互連通，共同建立一個地面參考點。一旦系統中出現干擾電流，可利用接地裝置將其導入大地中，通過控制電磁干擾的耦合路徑，達到降低電磁干擾的目的[2]。

2 常見的電磁干擾環境

2.1 大功率電力電子設備影響

很多自動化儀表都應用于大型工業廠區，而工業生產過程中勢必存在大功率的電力電子設備，如直流電機、變頻器等。這些設備會在工作時產生巨大的電磁干擾，影響自動化儀表，導致顯示屏出現亂碼或者誤動作，測量精度下降，甚至導致設備的配電系統出現故障。

2.2 浪涌沖擊

第一，很多大型負載設備通斷過程中，會導致電網出現浪涌電壓。這種電壓波動雖然不會影響自動化儀表的硬件設備，但是可能會導致設備系統出現紊亂，產生無動作或者數據錯誤等問題。如果不能采取有效的電磁兼容技術進行防治，勢必導致自動化設備出現損傷，縮短其使用壽命，增加后期維護保養成本。

第二，導致浪涌出現的另一個主因是雷電天氣。近年來，因雷電導致電子設備出現損壞的事件屢見不鮮，雖然很多企業和工廠都加強了防雷電裝置的設計，但是雷電造成設備軟損傷的情況依然層出不窮。

2.3 靜電（ESD）干擾

所謂靜電干擾，就是自動化儀表運行過程中，因操作人員本身所攜帶的靜電電荷造成設備系統紊亂，嚴重時可能擊穿硬件設備，導致自動化儀表故障頻發。

2.4 電快速瞬變脈沖群

對自動化儀表而言，當電感性負載短時間出現多次斷開和接通操作時，可能導致脈沖群短時間內多次出現，對設備開關產生巨大影響，導致設備出現電磁兼容問題，無法正常工作。

2.5 其他電磁設備的干擾

部分設備具有一定的對外輻射性，例如無線電廣播、無線電收發機等。這些設備在工作過程中會發出一定輻射，影響周圍自動化儀表的正常工作。

3 實例分析自動化儀表的電磁兼容設計

載流X熒光分析儀是選礦生產的重要自動化儀表設備之一，但由于選礦廠的多種大型設備同時運行，工作環境中充斥著大量的電磁干擾，導致設備經常出現通信中斷問題。根據現場調研，主要由于浪涌電壓、ESD以及電快速脈沖群等電磁干擾，導致設備無法正常運行。

3.1 電快速瞬變脈沖群干擾試驗

為了檢查電快速瞬變脈沖群是否導致設備出現通信中斷故障，本實驗測試了自動化儀表設備的電源端口和信號線，基于±2 000 V的測試電壓，重復頻率約為5kHz，每300 ms重復一次。根據試驗結果來看，相關測試結果均符合標準要求，證明設備運行過程中沒有受到電快速瞬變脈沖群的影響[3]。

3.2 ESD電磁干擾試驗

通過對自動化儀表設備的外殼、串口螺釘進行ESD電磁干擾測試，基于±800 V空氣放電測試電壓和±6 000 V的接觸放電測試電壓，10次放電均未發現ESD電磁干擾問題。

3.3 其他射頻設備輻射干擾試驗

針對設備的電源線和通信線進行射頻場感應傳導抗擾度試驗，基于10 V/m的測試電壓，頻率為80～150kHz。經過測試，未發現明顯的異常情況，說明設備未因其他射頻設備的輻射干擾出現通信中斷故障。

3.4 浪涌電磁干擾試驗

針對自動化儀表設備的電源線、通信線進行浪涌電磁干擾試驗，基于±1 000 V的測試電壓，采用差模注入方式。測試發現，電源線存在明顯的電磁干擾故障，說明導致設備出現電磁兼容性問題的主因在于浪涌電磁干擾。

通過進一步測試發現，涌浪電磁干擾對設備的影響是一個累積的過程。載流X熒光分析儀在工作中雖然出現了通信中斷故障，但重新通電后設備可以正常工作。試驗過程中，通信出現中斷后，重新通電后設備無法正常運行，更換電源模塊后設備恢復正常，說明涌浪電磁干擾不僅會影響設備的正常運行，而且會導致設備硬件出現故障。普通濾波器無法有效抵抗浪涌的高能量沖擊，必須采用專用的浪涌抑制器件（如圖1所示）。通過與電源模塊并聯設置，吸收和轉移超出設備承受能力之外的電壓，達到保護設備、提高設備電磁兼容性的目的。

圖1 增設浪涌抑制器后的設備布置

通過設置浪涌抑制器，大大提高了自動化儀表的浪涌抵抗能力。經過連續半年的現場考察，整改后的載流X熒光分析儀在運行過程中未出現通信中斷故障。

4 結 論

綜上所述，電磁干擾會對自動化儀表的正常運行造成巨大危害，嚴重影響了工業生產的自動化、智能化發展。相關工作者必須重視電磁兼容設計分析，不僅要在產品設計階段對產品的元器件、電路板、外殼以及配線等進行科學合理的抗干擾設計，而且要積極研究各種電磁干擾源的運行原理，通過科學試驗找出影響設備運行的原因，并采取有效的技術手段提高自動化儀表的電磁兼容性，確保設備健康良性運行。