淺談工業現場信號干擾及處理措施

暴振嶺

摘 要 本文主要分析了工業現場的干擾信號的來源及傳播途徑，并對干擾類型進行了分類，針對不同特點的干擾形式，列出了所需要采用的相應抑制方法及措施，通過對屏蔽、接地、隔離、濾波、信號傳遞等抗干擾措施的分析及應用，為工業現場設備減少干擾提供了經驗和參考。

關鍵詞 干擾;電磁;接地;屏蔽;隔離

前言

電子電氣技術已經應用到社會的各個角落，工業生產中的自動化控制及儀表檢測系統更是與電子技術密不可分。然而，由于電子電氣技術的廣泛應用，使得電子電氣設備越來越多，越來越復雜，致使電磁環境也越來越惡劣。在工業生產現場，空間中彌漫著的各種無用電磁信號會給設備帶來莫名其妙的故障，而這些由于干擾引起的故障也讓維護人員難以下手，處理起來甚是頭疼。所以，在工業生產中，抗干擾工作具有重要的意義。

1干擾的產生與傳播

在工業生產中，有許許多多的工藝參數，諸如：壓力、流量、溫度、重量、液位等等，它們的測量基本上由檢測、信號放大及處理、顯示及輸出三部分組成。而檢測到的信號在通過多次轉換和處理的過程中，往往會摻雜進一些與測量信號無關的電壓或電流。這種與測量信號無關的電壓或電流信號，我們稱之為“干擾”信號，或稱“噪聲”。

1.1 干擾的來源

產生干擾信號的干擾源一般可分為外部干擾和內部干擾兩種。外部干擾來自系統的外部：①自然干擾：各種自然現象，如：閃電、射線、雷擊、環境變化等均會產生自然干擾。②各種電氣設備運行產生電磁干擾：如電網波動、大型用電設備的啟停、變頻器運行等。內部干擾來自系統的內部，主要是指測量電路內部電子元器件的噪聲所引起的干擾。如：電感線圈、分布電容、多點接地造成的電位差等。

1.2 干擾的傳播

（1）干擾的作用途徑：干擾進入設備的途徑分為兩類：即傳導和輻射。①傳導干擾：干擾信號從導線及公共阻抗進入電路。②輻射干擾：干擾信號通過空間電磁波輻射傳播。這兩種干擾傳播方式可能會互相轉換，傳導干擾可通過導線形成輻射干擾，而輻射干擾又可以通過導線轉換成為傳導干擾。

（2）電磁干擾的耦合方式種類：①靜電耦合：干擾信號通過分布電容進行傳遞稱為靜電耦合。系統內部各導線之間，印刷線路板的各線條之間，變壓器線匝之間的繞組之間以及元件之間、元件與導線之間都存在著分布電容。具有一定頻率的干擾信號通過這些分布電容提供的電抗通道穿行，會對系統形成干擾。②電磁耦合：電磁耦合是指在空間磁場中電路之間的互感耦合。因為任何載流導體都會在周圍的空間產生磁場，而交變磁場又會在周圍的閉合電路中產生感應電勢，所以這種電磁耦合總是存在的，只是強弱程度不同而已。③公共阻抗耦合：公共阻抗耦合是指有多個電路的電流同時流經同一公共阻抗時所產生的相互影響。例如：系統中往往是多個電路共同使用一個電源，各電路的電流必然會流經電源內阻及線路電阻，成為各電路的公共阻抗。每個電路的電流都會在公共阻抗上造成壓降，將成為其他電路的干擾信號。④漏電耦合：由于絕緣不良，流經絕緣電阻的漏電流所引起的干擾叫作漏電流耦合。漏電流耦合經常發生在儀表測量較高的直流電壓時;在檢測裝置附近有較高的直流電壓源時，在高輸入阻抗的直流放大器中。⑤電磁輻射耦合：各種大功率的中高頻發生裝置，各種電火花以及電臺、電視臺、信號塔等產生的高頻電磁波不斷向周圍空間輻射，形成電磁輻射干擾。雷電和宇宙空間也會有電磁波干擾信號[1]。

2干擾的抑制技術及措施

在產品設計開發及應用時，除了對重要干擾源進行抑制外，更多的則是在產品內設法抑制外來干擾，以保證系統可靠工作。抑制干擾的技術措施主要包括：屏蔽、接地、隔離、濾波、浮置及平衡電路以及合理的信號傳輸方式等。

2.1 屏蔽

屏蔽技術是利用導電或者導磁材料制成的盒狀或殼狀的屏蔽體，將干擾源或保護對象包圍起來，起到隔斷或削弱電磁場的耦合通道的技術措施。屏蔽又可細分為：靜電屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽、驅動屏蔽等。我們在電子板卡中常見的金屬罩，電纜線路穿在金屬管路中都屬于屏蔽措施。

2.2 接地

在抗干擾技術措施中接地是與屏蔽緊密相關的，無論是電纜屏蔽還是屏蔽罩都必須有一個適當的接地點，才能有效地抑制干擾。常用的接地方案有：①一點接地：如果一個測量系統中分別設有信號地線，又有交流電氣地線和安全保護地線時，則需要將三種地線連在一起，再通過一點接地，這就是一點接地。采用一點接地，可避免兩點接地因地電位差造成嚴重干擾。②信號導線屏蔽層一點接地：信號導線必須屏蔽且屏蔽層接地，否則無法抑制串模干擾，而且屏蔽層也應一點接地。屏蔽層接地有兩個原則：當有一個不接地的信號源與一個接地的放大器相連接時，信號導線屏蔽層應接放大器的公共端;當一個接地的信號源與不接地的放大器連接時，信號導線屏蔽層應接至信號源的公共端。③多點接地：多點接地所需地線較多，一般適用于低頻信號。若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合反而會增加干擾。

2.3 隔離措施

隔離是指把干擾源與接收系統隔離開來，使有用信號正常傳輸，而干擾耦合通道被切斷，以達到抑制干擾的目的。常見的隔離方法有：加大物理距離、光電信號隔離、變壓器隔離、繼電器隔離和隔離放大器隔離等。

在工業現場最常見的隔離措施中，加大物理距離最容易實現，使干擾源與干擾對象盡可能遠離，檢測信號線路遠離具有干擾特性的設備或線路，避免干擾信號竄入。弱信號線與強信號線以及電源線應盡量遠離;直流信號線與交流信號線應遠離;可能引起寄生耦合的線路，嚴禁平行走線，彼此應盡量遠離;低電平信號地線、交流電源地線和金屬機殼地線應分開設置，最后集中一點接地。

儀表檢測模擬量信號，目前在工業生產中應用仍然較多，模擬量信號很容易受到干擾，除了信號線路采用屏蔽措施外，最常用的抗干擾措施就是在信號末端加裝隔離器，剔除無用信號。長距離傳輸開關量信號時，也盡量采用繼電隔離器，防止線路中累積干擾電壓過大引起設備誤動。

2.4 濾波技術

濾波技術用來抑制沿導線傳輸的傳導干擾，主要用于電源和信號線干擾抑制，常用于抑制中低頻干擾，抑制的頻率一般在300MHz以下。濾波器一般由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的頻率選擇器件，可以接入到傳輸線路中，抑制不需要的頻率傳播。濾波的方法分為：①電源干擾抑制：采用電源濾波器抑制電源傳輸電磁干擾，它不僅可以阻止電網中的噪聲進入設備，也可以抑制設備產生的噪聲污染電網。采用吸收型濾波器抑制電源線中的快速瞬變脈沖串干擾。鐵氧體是一種磁性材料，由鐵、鎳、鋅氧化物混合而成，鐵氧體一般做成中空形，導線穿過其中，當導線中的電流穿過鐵氧體時，低頻電流幾乎可以無衰減通過，但高頻電流會受到很大的損耗。②感性負載加吸收電路抑制瞬態噪聲：系統中的感性負載在關斷時會產生強烈的脈沖干擾，影響其他電路工作，必須在感性負載處加吸收電路抑制瞬態噪聲，可以并聯電阻、壓敏電阻、穩壓二極管等吸收回路，實際應用中，RC吸收回路應用較多，抑制效果也較好，一般在感性負載側進行安裝。③軟件濾波：用軟件來識別有用信號和干擾信號并過濾掉干擾信號的方法?？梢岳肞LC、DCS等編程軟件或其他軟件對可能出現的干擾信號進行預處理，達到出現干擾信號時按照制定的程序將干擾消除或忽略，達到系統工作正常的目的。

2.5 浮置及平衡電路

浮置又稱浮地、浮空、浮接，它指的是測量系統的輸入信號放大器公共線不接機殼或大地。對于被浮置的測量系統，測量電路與機殼或大地之間無直接聯系，可有效提高抗共模干擾能力。平衡電路也可以有效提高測量系統的抗共模干擾能力。平衡電路包括：負載平衡、信號源平衡和信號導線平衡。

2.6 合理的信號傳輸方式

在設計系統時選擇抗干擾性強的信號傳遞技術，可大幅降低干擾的可能。①優先采用數字型與電流型信號：數字信號的抗干擾能力遠遠強于模擬信號;電流型信號在傳輸通路中不會出現在同一回路中各點電流大小不一致的問題，有很強的抗感應式干擾的能力。②采用光纖作為傳輸介質傳遞信號：以光波的形式傳遞信號，可以從根本上杜絕信號在傳輸過程中所受干擾。③使用絞線：絞線的絞扭節距把信號線分隔成許多小回路，如果雙絞線的絞扭一致，那么這些小回路的面積相等而方向相反，因此其磁場干擾可以相互抵消[2]。

3結束語

工業現場環境惡劣，各種電、磁場分布復雜，給正常生產中的電氣儀表自動化設備帶來不可預料的干擾影響，抗干擾已成為電氣自動化及儀表檢測維護人員不可忽視的一項重要工作內容。只要綜合考慮各方面的因素，掌握了干擾的特性，運用科學的手段，就可以合理有效地抑制干擾，使電氣控制及檢測系統可靠工作。

參考文獻

[1] 徐義亨.工業控制工程中的抗干擾技術[M].上海：上?？茖W技術出版社，2010：1-18.

[2] 何世峰.工業現場系統信號的干擾及抗干擾措施[J].山東輕工業學院學報，2008，22（1）：46-49.