10.控制系统抗干扰设计

1、计算机控制装置计算机控制装置 1 5.1.干扰的定义和干扰源分类干扰的定义和干扰源分类 5.2.干扰的耦合方式干扰的耦合方式 5.3.干扰的抑制方法干扰的抑制方法 5.3.1 壳体（柜体）屏蔽壳体（柜体）屏蔽 5.3.2 电缆屏蔽与接地电缆屏蔽与接地 5.3.3 布线布线 5.3.4 静电防护静电防护 5.3.5 接地系统接地系统 5.3.6. 防雷设计简介防雷设计简介 计算机控制装置计算机控制装置 2 5.1 干扰的定义和干扰源分类干扰的定义和干扰源分类 系系统在工作过程统在工作过程中可中可能会能会出现出现例如不稳定、漂移、失真例如不稳定、漂移、失真等不等不正常正常现象现象 。 产生产生这些

2、现象的这些现象的原因：原因： （1 1）可能因系统）可能因系统本本身结身结构、器件质量、制造工艺等存在构、器件质量、制造工艺等存在问题问题 （2 2）也）也可能是电子测量系统受外部的工作环境，可能是电子测量系统受外部的工作环境， 如电源电压波动、如电源电压波动、 环境温度变化或其他电气设备的影响等环境温度变化或其他电气设备的影响等。 这些这些来自内部和来自内部和外部的影响系统正常外部的影响系统正常工作的各种因素，工作的各种因素， 统称为统称为 “干扰干扰”。本章讨论的干扰偏。本章讨论的干扰偏于指外部因素。于指外部因素。 干扰干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素是指对系统的正常工

3、作产生不良影响的内部或外部因素。 计算机控制装置计算机控制装置 3 干扰有哪些类型？干扰有哪些类型？ 电磁干扰电磁干扰是最为普遍和影响最严重的干扰。是最为普遍和影响最严重的干扰。 只要只要有电场或磁场存在，有电场或磁场存在， 就就会对电子线路产生会对电子线路产生电磁干扰电磁干扰。 机械干扰机械干扰 是是指由于机械振动或冲击指由于机械振动或冲击，改，改变了系统的电气参数，变了系统的电气参数， 造成了造成了 可逆或不可逆的影响可逆或不可逆的影响。 热干扰热干扰系统工作系统工作时产生的时产生的热量或环热量或环境温度变化境温度变化等导致系统参等导致系统参数发生变数发生变 化（温度漂化（温度漂移），从移

4、），从而影响系统的正常工而影响系统的正常工作（热屏蔽或补偿）作（热屏蔽或补偿） 光干扰光干扰半导体材料半导体材料在光线的作用下在光线的作用下，使，使半导体元器件产生电势或引起半导体元器件产生电势或引起 阻值的变阻值的变化（光屏蔽）。化（光屏蔽）。 湿度干扰湿度干扰 湿度会改变绝缘体湿度会改变绝缘体的的绝缘强度、高值电阻的阻值、电介质绝缘强度、高值电阻的阻值、电介质的的介介 电常数等电常数等（浸浸漆、漆、 环氧树脂封环氧树脂封灌等灌等） 化学干扰化学干扰一是指化学腐蚀损坏，二是化学物质与一是指化学腐蚀损坏，二是化学物质与金属导体形成化学电势金属导体形成化学电势。 （密封、清洁）（密封、清洁） 计

5、算机控制装置计算机控制装置 4 传输传输 噪声噪声 设备设备 噪声噪声 射频射频 噪声噪声 接地接地 噪声噪声 雷电雷电 噪声噪声 机械起机械起 源噪声源噪声 天体天体 噪声噪声 也称为也称为电力线电力线噪声，通过噪声，通过电源电源线传递到线传递到（或经信号线耦合到）（或经信号线耦合到）设备设备 尖峰脉冲尖峰脉冲 大功率大功率开关的通断、开关的通断、设备设备（如电弧炉、焊机、大功率电机（如电弧炉、焊机、大功率电机 等）等）的的启动启动停止，停止，启动启动电流往往是额定电流的数倍（电流往往是额定电流的数倍（46倍倍），称为浪涌。），称为浪涌。 浪涌浪涌 冲击电网电压冲击电网电压 其他用电设备工作

6、不正常甚至其他用电设备工作不正常甚至损坏。损坏。持续时间持续时间 一般在微秒级，但电压幅值可以从几伏到数千伏，主要干扰一般在微秒级，但电压幅值可以从几伏到数千伏，主要干扰噪声噪声 电源电源工频噪声工频噪声 大功率大功率输电线是典型的工频噪声源。低电平的信号线只输电线是典型的工频噪声源。低电平的信号线只 要有一段距离与高压输电线平行，就会受到明显的干扰。即使是要有一段距离与高压输电线平行，就会受到明显的干扰。即使是室内一室内一 般般的的交流电源交流电源线，对于线，对于输入阻抗很输入阻抗很高高的仪表的仪表来说，也是很大的干扰源来说，也是很大的干扰源。 电网的电压波动电网的电压波动 欠欠/ /过压，

7、随着电网质量的提高，问题趋于缓和过压，随着电网质量的提高，问题趋于缓和 计算机控制装置计算机控制装置 5 传输传输 噪声噪声 设备设备 噪声噪声 射频射频 噪声噪声 接地接地 噪声噪声 雷电雷电 噪声噪声 机械起机械起 源噪声源噪声 天体天体 噪声噪声 在在放电过程中，放电过程中， 放电噪声会向周围辐射出从低频到高频的电磁波放电噪声会向周围辐射出从低频到高频的电磁波，它，它是是 对电对电子子系统系统影影响严重的一种噪声干扰响严重的一种噪声干扰。 火花放电火花放电弧光放电弧光放电辉光放电辉光放电电晕放电电晕放电 电极间电极间气体被气体被高高 压击穿压击穿 大电流使气体击大电流使气体击 穿（如电焊

8、）穿（如电焊） 稀薄气体电稀薄气体电离导离导 电（如荧光灯）电（如荧光灯） 小曲率半小曲率半径尖径尖端电端电极极 上的电荷积聚，常见上的电荷积聚，常见 于高压线上，距离远，于高压线上，距离远， 一般影响不大一般影响不大 计算机控制装置计算机控制装置 6 传输传输 噪声噪声 设备设备 噪声噪声 射频射频 噪声噪声 接地接地 噪声噪声 雷电雷电 噪声噪声 机械起机械起 源噪声源噪声 天体天体 噪声噪声 射频是对高频射频是对高频交流变化电磁波的简称，一般在交流变化电磁波的简称，一般在100kHz以上。多为调制电以上。多为调制电 磁波，如无线磁波，如无线广播、电视、广播、电视、雷达、无线通信等雷达、无

9、线通信等，空间射频干扰严重，空间射频干扰严重。 计算机控制装置计算机控制装置 7 典型的电磁干扰电磁干扰 传输传输 噪声噪声 设备设备 噪声噪声 射频射频 噪声噪声 接地接地 噪声噪声 雷电雷电 噪声噪声 机械起机械起 源噪声源噪声 天体天体 噪声噪声 不同的接地点会存在或大或小的地电位差不同的接地点会存在或大或小的地电位差 没有良好接地的车间内，不同接地点的地电位差可达到几伏到几十伏没有良好接地的车间内，不同接地点的地电位差可达到几伏到几十伏 （例如飞机的机头、机尾的电位差可达几十伏）（例如飞机的机头、机尾的电位差可达几十伏） 地地电位差噪声可以通过差模方式也可以通过共模方式引入电位差噪声可

10、以通过差模方式也可以通过共模方式引入 计算机控制装置计算机控制装置 8 典型的电磁干扰电磁干扰 传输传输 噪声噪声 设备设备 噪声噪声 射频射频 噪声噪声 接地接地 噪声噪声 雷电雷电 噪声噪声 机械起机械起 源噪声源噪声 天体天体 噪声噪声 直接直接雷：直接侵入设备雷：直接侵入设备或相或相关联的传输线上的雷电关联的传输线上的雷电。概率。概率很小。很小。 感应感应雷雷：因因电磁感应作用在设备电磁感应作用在设备上感应出雷电上感应出雷电压和感应电流压和感应电流。感应。感应 雷的发生机雷的发生机率很高。率很高。 计算机控制装置计算机控制装置 9 5.2 干扰噪声的耦合方式干扰噪声的耦合方式 分类方法

11、一分类方法一 传导耦合传导耦合 干扰源与被干扰对象通过电源线、信号线、接地干扰源与被干扰对象通过电源线、信号线、接地 线相连（直接耦合）线相连（直接耦合） 辐射耦合辐射耦合 干扰源通过空间传播将干扰噪声耦合到被干扰对干扰源通过空间传播将干扰噪声耦合到被干扰对 象上（电场、磁场）象上（电场、磁场） 串扰耦合串扰耦合 干扰源和被干扰对象没有直接联系，但当它们的干扰源和被干扰对象没有直接联系，但当它们的 导线或引线相互靠近时会产生寄生电容和寄生电导线或引线相互靠近时会产生寄生电容和寄生电 感感( (本质上也可以理解为传导干扰本质上也可以理解为传导干扰) ) 分类方法二分类方法二 电路性耦合电路性耦合

12、主要干扰量：主要干扰量：电流、电压电流、电压 电容性耦合电容性耦合主要干扰量：主要干扰量：电场电场 电感性耦合电感性耦合主要干扰量：主要干扰量：磁场磁场 计算机控制装置计算机控制装置 10 分类方式三（按照具体的耦合途径分）：分类方式三（按照具体的耦合途径分）： 干扰噪声：干扰噪声： 电流电流 电压电压 电场电场 磁场磁场 天线耦合天线耦合 公共阻抗耦合公共阻抗耦合 静电耦合静电耦合 电源线耦合电源线耦合 被干扰设备被干扰设备线线- -线串扰线串扰 计算机控制装置计算机控制装置 11 5.2.1 公共公共阻抗耦合（电路性）阻抗耦合（电路性） 公共公共阻抗耦合就是多个电路通过共有阻抗造成的耦合阻

13、抗耦合就是多个电路通过共有阻抗造成的耦合。当某一电路的电当某一电路的电 流流过共有阻抗时，会在共有阻抗上产生电压，流流过共有阻抗时，会在共有阻抗上产生电压， 该电压就可能成为其他该电压就可能成为其他 电路的干扰电路的干扰。 通常通过是通常通过是一个回路、电源总线、公共负载、公共接地一个回路、电源总线、公共负载、公共接地等途径把干扰噪等途径把干扰噪 声引入设备，声引入设备，这是最常见的耦合方这是最常见的耦合方式式 计算机控制装置计算机控制装置 12 u 单电源、多负载（接地共阻抗）单电源、多负载（接地共阻抗） 公共阻抗较大时会影响其他电路公共阻抗较大时会影响其他电路 电源电源 i m nCni

14、i UZI 1 C Z n I 1n I 2nm I 公共电源内阻耦合干扰公共电源内阻耦合干扰 N个负载或电路个负载或电路共用一个电源，因内阻共用一个电源，因内阻 抗和线路阻抗的影响，电路抗和线路阻抗的影响，电路N中电流的中电流的 任何变化均会影响电路任何变化均会影响电路1至至N-1的工作。的工作。 电源电源1 C Z n I 1 u 多电源、共地多电源、共地 地线阻抗较大时会影响其他电路地线阻抗较大时会影响其他电路 电源电源2n I 2 电源往往是最主要电源往往是最主要的噪声的噪声来源，处理来源，处理方法：方法： 低输出阻抗、低噪声低输出阻抗、低噪声电源电源 / / 去去公共阻公共阻抗抗 /

15、 / 最好独立最好独立电电源源 计算机控制装置计算机控制装置 13 5.2.2静电静电耦合（电容性）耦合（电容性） (1)(1)元器件、导线间存在分布电容元器件、导线间存在分布电容 (2)(2)人体带电人体带电 (3)(3)电容耦合感应形成干扰电压电容耦合感应形成干扰电压 n U m C 放放 大大 器器 S I ni U i Z 故信号放大器输入阻抗故信号放大器输入阻抗Z Zi i 尽可能小，一般在几百尽可能小，一般在几百 以下。以下。 频域：频域： 时域：时域： n U 1 m C 1 n U 2 ni U i Z m C 2 n U 3 m C 3 多干扰源多干扰源 计算机控制装置计算机

16、控制装置 14 5.2.3 线线-线串扰耦合线串扰耦合 n I ni U m M 平行导线的互感：平行导线的互感：两导线两导线距离为距离为D（cm），）， 导线导线长长l(m)，设导，设导线间距线间距D远远大于导线的远远大于导线的 直径，它们之间的互感为直径，它们之间的互感为 导线电流会在另一导线形成串联互感干扰电压：导线电流会在另一导线形成串联互感干扰电压： 高频电流在其它相邻导线高频电流在其它相邻导线上的互感上的互感电压会电压会很很显著显著 例如：例如：5cm5cm长长相距相距1mm1mm的直径的直径1mm1mm平行导线，平行导线， 式中：式中： 计算机控制装置计算机控制装置 15 n I

17、 m C m M n U RequRequ为被干扰回路的等效电阻，图为被干扰回路的等效电阻，图 中即为两个电阻的并联值。中即为两个电阻的并联值。 C Cm m、 、L Lm m分别为寄生电容的寄生电感 分别为寄生电容的寄生电感 计算机控制装置计算机控制装置 16 5.2.4 电源电源线耦合线耦合 直流或者交流电源受到干扰，电源线又将这些干扰传送给其他设备直流或者交流电源受到干扰，电源线又将这些干扰传送给其他设备 这是仪表系统中最主要的干扰源这是仪表系统中最主要的干扰源 电源电源 i m nCni i UZI 1 C Z n I 1n I 2nm I 计算机控制装置计算机控制装置 17 电磁干扰

18、电磁干扰 EMIElectromagnetic Interference 电磁兼容电磁兼容 EMCElectromagnetic Compatibility 5.3干扰的抑制方法干扰的抑制方法 电磁干扰的危害性电磁干扰的危害性 影响它人（害人）影响它人（害人） 自身影响（害己）：稳定性、精确度、失效自身影响（害己）：稳定性、精确度、失效 电磁兼容设计的目的电磁兼容设计的目的 把自身的电磁干扰限定在一定的范围，降低对其他设备的影响把自身的电磁干扰限定在一定的范围，降低对其他设备的影响 使自身免受或少受外部干扰的影响使自身免受或少受外部干扰的影响 抑制电磁干扰（从系统角度）的主要手段：抑制电磁干扰

19、（从系统角度）的主要手段： 屏蔽、接地、合理布线、静电防护、滤波屏蔽、接地、合理布线、静电防护、滤波 计算机控制装置计算机控制装置 18 5.3.1屏蔽屏蔽(shielding)技术技术 屏乃挡风、遮蔽之器；蔽乃掩障、遮护之为。屏乃挡风、遮蔽之器；蔽乃掩障、遮护之为。 用来抑制电场或磁场从空间的一个区域传递到另一个区域用来抑制电场或磁场从空间的一个区域传递到另一个区域 可以是主动屏蔽，也可以是被动屏蔽可以是主动屏蔽，也可以是被动屏蔽 通常情况下通常情况下： 高电压、小电流干扰源：高电压、小电流干扰源： 低电压、大电流干扰源：低电压、大电流干扰源： 电场干扰为主电场干扰为主(容性耦合），磁场往往

20、可以忽略容性耦合），磁场往往可以忽略 磁场磁场干扰为主干扰为主(感感性性耦合）耦合），电场往往可以忽略，电场往往可以忽略 屏蔽效果屏蔽效果(能量衰减能量衰减)取决于哪些方面？取决于哪些方面？吸收吸收反射反射其它其它 吸收损耗：电磁波在屏蔽材料中传播时，会有一部分能量转换成热量，导致电磁吸收损耗：电磁波在屏蔽材料中传播时，会有一部分能量转换成热量，导致电磁 能量损失能量损失，这，这部分能量称为屏蔽材料的吸收损耗。部分能量称为屏蔽材料的吸收损耗。 反射反射损耗：当电磁波入射到不同媒质的分界面时，就会发生反射，使穿过界面的损耗：当电磁波入射到不同媒质的分界面时，就会发生反射，使穿过界面的 电磁能量减

21、弱电磁能量减弱。 电场屏蔽电场屏蔽反射为主反射为主 磁场屏蔽磁场屏蔽吸收为主吸收为主 计算机控制装置计算机控制装置 19 （1）电场屏蔽）电场屏蔽 交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电 容和金属屏蔽体容和金属屏蔽体接地电阻接地电阻之之“积积”。 只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干 扰电压变得很小。扰电压变得很小。 电场屏蔽以反射为主，单从电场屏蔽的角度看电场屏蔽以反射为主，单从电场屏蔽的角度看屏蔽体的厚度关系不大屏蔽体

22、的厚度关系不大。 E m C G R ni U E UE UE niGmE UsR C U 屏蔽体屏蔽体 电磁屏蔽的若干实际问题电磁屏蔽的若干实际问题 计算机控制装置计算机控制装置 20 （2）（低频）磁场屏蔽）（低频）磁场屏蔽 是利用是利用高导磁率高导磁率的材料构成的材料构成低磁阻通路低磁阻通路，实现磁路旁通。屏蔽体，实现磁路旁通。屏蔽体 导磁率越高，厚度越大，磁阻越小，效果越好。导磁率越高，厚度越大，磁阻越小，效果越好。 单纯从磁场屏蔽的角度看，用于磁场屏蔽的单纯从磁场屏蔽的角度看，用于磁场屏蔽的屏蔽体无需接地屏蔽体无需接地。 几几个问题：个问题： 强磁场屏强磁场屏蔽：蔽：高高导导磁材磁材

23、料在强磁场中极易料在强磁场中极易饱和饱和，丧失导磁效能，丧失导磁效能 怎么办？怎么办？双层，外层（低导磁材料，内层高导磁材料）双层，外层（低导磁材料，内层高导磁材料） 高频磁场屏高频磁场屏蔽：蔽：导磁率越高，适用抑制的频率越导磁率越高，适用抑制的频率越低。高频磁场通常趋于低。高频磁场通常趋于 远程，用远程，用高电导率材料屏蔽体高电导率材料屏蔽体+ +良好接地通常效果也是不良好接地通常效果也是不 错错 高频强磁场屏高频强磁场屏蔽：蔽： 把设备挪开把设备挪开或结或结合前两种思想解决合前两种思想解决 计算机控制装置计算机控制装置 21 （3）静电屏蔽）静电屏蔽 静电感应是在静电感应是在高输入阻抗电路

24、高输入阻抗电路的一种主要干扰。的一种主要干扰。 静电电压可以很高，静电电压可以很高，可达万伏以上，可达万伏以上，2000V有感，有感，3000V有光，危害很大有光，危害很大 防止静电的关键是：防止静电的关键是：接地接地 静电屏蔽就是利用高电导率屏蔽体静电屏蔽就是利用高电导率屏蔽体 计算机控制装置计算机控制装置 22 （4）屏蔽体上开孔和接缝）屏蔽体上开孔和接缝 通风口通风口 显示窗显示窗 键盘键盘 指示灯指示灯 电缆插座电缆插座 调节旋钮调节旋钮 电源电源 线线 缝隙缝隙 漏磁漏磁 开开孔主要影响磁场屏蔽效果孔主要影响磁场屏蔽效果 减小缝隙的基减小缝隙的基本思路本思路：用：用机机械手械手段来增

25、加接触面的平整段来增加接触面的平整度；度； 增增加紧固件（螺加紧固件（螺钉等）钉等）的密的密度度 用用电磁密封衬垫电磁密封衬垫（导电橡胶、导电布等）（导电橡胶、导电布等） 孔洞的电磁泄漏与孔洞的最大尺寸有关孔洞的电磁泄漏与孔洞的最大尺寸有关 采用与大孔相同面积的多个小孔构成的孔阵代采用与大孔相同面积的多个小孔构成的孔阵代 替一个大孔产生的漏磁要小替一个大孔产生的漏磁要小 在通风孔上安装一块与屏蔽体间可靠搭在通风孔上安装一块与屏蔽体间可靠搭 接的金属网，可减小漏磁接的金属网，可减小漏磁 计算机控制装置计算机控制装置 23 (5)屏蔽屏蔽材料材料 一般金属材料的电导率都很高一般金属材料的电导率都很

26、高，导磁率都不是固定不变的导磁率都不是固定不变的 高导磁率材料具有以下特点：高导磁率材料具有以下特点： 导磁率随频率升高而降低导磁率随频率升高而降低 高导磁率材料在机械冲击下会极大地影响屏蔽效能高导磁率材料在机械冲击下会极大地影响屏蔽效能 强磁场极易引起磁饱和强磁场极易引起磁饱和 磁屏蔽效能还有材质厚度有关磁屏蔽效能还有材质厚度有关 通常纯铁、硅钢片、铁氧体等材料的导磁率比较高通常纯铁、硅钢片、铁氧体等材料的导磁率比较高 计算机控制装置计算机控制装置 24 (6)一般性结论一般性结论 电场和平面波，反射损耗大；磁场，反射损耗较小，主要靠高导磁吸收电场和平面波，反射损耗大；磁场，反射损耗较小，主

27、要靠高导磁吸收 在在低频时，高导磁率材料的屏蔽效果比高电导率材料好低频时，高导磁率材料的屏蔽效果比高电导率材料好 在高频时，高电导率材料的屏蔽效能一般比高导磁率材料好在高频时，高电导率材料的屏蔽效能一般比高导磁率材料好 高导磁率材料表面覆盖高电导率材料，可以增加屏蔽效高导磁率材料表面覆盖高电导率材料，可以增加屏蔽效果果 低低频磁场用磁性材料进行频磁场用磁性材料进行屏蔽；电场屏蔽；电场、平面波、高频磁场用良导、平面波、高频磁场用良导体体 电电场屏蔽、静电屏蔽必须接地，屏蔽体上可以任意开缝；磁场屏蔽不需场屏蔽、静电屏蔽必须接地，屏蔽体上可以任意开缝；磁场屏蔽不需 接地，但开缝会有漏磁接地，但开缝会

28、有漏磁。 实实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接縫情况，而不是屏蔽材料际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接縫情况，而不是屏蔽材料 本身的屏蔽效本身的屏蔽效果果。 计算机控制装置计算机控制装置 25 5.3.2 电缆屏蔽和接地电缆屏蔽和接地 绝大多数干扰波是通过导线传播和辐射的，特别是低电平信号线，对外绝大多数干扰波是通过导线传播和辐射的，特别是低电平信号线，对外 部辐射都是很敏感的部辐射都是很敏感的 导线屏蔽的目的：抵御干扰、防止辐射（干扰他人）导线屏蔽的目的：抵御干扰、防止辐射（干扰他人） 铜丝编制的屏蔽线，主要用于信号线铜丝编制的屏蔽线，主要用于信号线 铠装电线：用铁皮或铝皮将芯线包

29、起来，主要用于电力线铠装电线：用铁皮或铝皮将芯线包起来，主要用于电力线 还可以使用铜管、铁管、铝管作为导线管，在导线外起屏蔽作用还可以使用铜管、铁管、铝管作为导线管，在导线外起屏蔽作用 为什么双绞线的抗为什么双绞线的抗 干扰能力比较强？干扰能力比较强？ 同同一根导线在相邻两个一根导线在相邻两个环段环段 上流过的感应电流大小相等，上流过的感应电流大小相等， 方向相反，因而被方向相反，因而被抵消。抵消。 等效等效为感应面积为感应面积A很小很小 80%-95%以上的面积被金属以上的面积被金属 网或金属箔层覆盖？网或金属箔层覆盖？ 本身具有吸收和反射衰减作用本身具有吸收和反射衰减作用 计算机控制装置计

30、算机控制装置 26 屏蔽层屏蔽层不能不接地不能不接地；多数情况问题不在屏蔽质量；多数情况问题不在屏蔽质量上，上，而在屏蔽接地上而在屏蔽接地上 电场屏蔽：电场屏蔽：单端单端接地接地时，屏蔽层电压为零，可显著减时，屏蔽层电压为零，可显著减少感少感应电压应电压；不要把不要把 屏蔽屏蔽层层两端两端都直接都直接接地，否则会因地电位差在屏蔽层上形成低频接地，否则会因地电位差在屏蔽层上形成低频电流电流。 单端单端接地原则接地原则：信号源端接地，信号源浮地则在受信方接地（谁送电谁接：信号源端接地，信号源浮地则在受信方接地（谁送电谁接 地）地） 磁场屏蔽：两端磁场屏蔽：两端接地使电磁感应在屏蔽层上接地使电磁感应

31、在屏蔽层上产生感应电流，进而产生与产生感应电流，进而产生与主主 干扰相反的二次场，抵消主干绕场的作用，显著降低磁场耦合干扰相反的二次场，抵消主干绕场的作用，显著降低磁场耦合感应电压感应电压 若干结论若干结论 高频高频/低频地低频地 高频地高频地 混合接地法：可抑制低频和高频电场干扰混合接地法：可抑制低频和高频电场干扰。 双双屏蔽屏蔽层：内层层：内层采用单端接地，外层采用双采用单端接地，外层采用双 端接地，但应考虑在暂态电流作用下屏蔽层端接地，但应考虑在暂态电流作用下屏蔽层 不致被烧熔，等电位。不致被烧熔，等电位。GB 50217-1994GB 50217-1994 电力工程电缆设计规范电力工程

32、电缆设计规范 计算机控制装置计算机控制装置 27 屏蔽层接地的几种方式屏蔽层接地的几种方式 同轴电缆同轴电缆 电缆电缆( (双绞线双绞线) ) 扁平电缆扁平电缆 安全地安全地 信号地信号地 信号输入信号输入 地线地线 接地板接地板 接地板接地板 计算机控制装置计算机控制装置 28 电缆整体屏蔽接地电缆整体屏蔽接地 菊花链菊花链 干扰电流不断叠加干扰电流不断叠加 一般一般 比前者好，但仍会降低屏蔽比前者好，但仍会降低屏蔽 效果，每个接地点尽量不要效果，每个接地点尽量不要 超过超过3 3根根 较好较好 没个屏蔽直接接到带孔的没个屏蔽直接接到带孔的 铜带上，铜带折叠成环，铜带上，铜带折叠成环， 接到

33、接地装置上接到接地装置上 更好更好 计算机控制装置计算机控制装置 29 5.3.3合理布合理布线（系统）线（系统） 工业测控系统中常用的信号传输线缆有四种：工业测控系统中常用的信号传输线缆有四种： 屏蔽电屏蔽电缆缆/双双绞线（测控系统常用屏蔽双绞线绞线（测控系统常用屏蔽双绞线）/光纤光纤/同同轴电缆轴电缆 布线时依据标准，布线结果要有据可查布线时依据标准，布线结果要有据可查 选材，质量最好是光纤，也最麻烦，不适于大多数的检测信号传输选材，质量最好是光纤，也最麻烦，不适于大多数的检测信号传输 布线要尽量短，但要留有裕量（维修改造用）布线要尽量短，但要留有裕量（维修改造用） 分类走线，小信号线路（

34、一般指分类走线，小信号线路（一般指24V24V以下）和大功率噪声线路必须分开以下）和大功率噪声线路必须分开 交流电线路、控制线路和信号线路必须分开，并保持一定距离交流电线路、控制线路和信号线路必须分开，并保持一定距离 机械保机械保护护 室室内走线（加装穿线管，如内走线（加装穿线管，如PVCPVC管、镀锌管、薄壁不锈钢管等）管、镀锌管、薄壁不锈钢管等） 架架空走线（桥架，室内采用喷塑处理、室外采用不锈钢）空走线（桥架，室内采用喷塑处理、室外采用不锈钢） 埋埋地走线（必须加装穿线管地走线（必须加装穿线管）注意防止鼠患！注意防止鼠患！ 续接续接屏蔽电缆（尽量避免屏蔽电缆（尽量避免，必，必要时可焊要时

35、可焊接，注接，注意续接处的绝缘和接触电阻意续接处的绝缘和接触电阻） 双绞线（通过双绞线（通过RJ45RJ45等标准接头续接）等标准接头续接） 光纤（光纤接头连接最方便，但会产生光纤（光纤接头连接最方便，但会产生1020%1020%的光损失）的光损失） 同轴电缆（采用标准接头，同轴电缆终端必须加配终端匹配器）同轴电缆（采用标准接头，同轴电缆终端必须加配终端匹配器） 计算机控制装置计算机控制装置 30 5.3.4静电防护技术静电防护技术 两种材料的摩擦、碰撞、剥离（接触后分离两种材料的摩擦、碰撞、剥离（接触后分离）的电荷积聚）的电荷积聚 人人体有感觉的静电电压一般都在数百伏乃至千伏以上体有感觉的静

36、电电压一般都在数百伏乃至千伏以上 现现在的集成电路和器件，因光刻线条越来越细（体积越来越在的集成电路和器件，因光刻线条越来越细（体积越来越 小），抗静电的能力越来越低，一般小），抗静电的能力越来越低，一般100200V静电电压即可静电电压即可 致使集成电路烧致使集成电路烧毁（毁（即使不上电）即使不上电） 在在易燃易爆场合，静电影响也极具破坏力，如在有粉尘的场合、易燃易爆场合，静电影响也极具破坏力，如在有粉尘的场合、 炼油化工区域等等。炼油化工区域等等。 静电防护的主要措施：静电防护的主要措施： （1）【避免避免】系统表面尽系统表面尽可能平滑可能平滑，防，防止静电积聚；避免化纤类服装；止静电积聚

37、；避免化纤类服装； （2）【疏导疏导】要完全消除静电积聚很困难要完全消除静电积聚很困难，工，工作台、地面铺设防静电材料，穿到防作台、地面铺设防静电材料，穿到防 静电服和鞋袜，带防静电腕带；静电服和鞋袜，带防静电腕带； （3）【中和中和】如果疏导不了，还可以加装离子风机、离子风枪来中和静电荷如果疏导不了，还可以加装离子风机、离子风枪来中和静电荷； 其其它：它：地面地面*采用防静电地采用防静电地板；良板；良好接地好接地（2）；保）；保持持一定湿度一定湿度可降低静电影可降低静电影响响 计算机控制装置计算机控制装置 31 5.3.5接地系统接地系统 接地就是将一个点与某个点位基准面用导体连接起来建立低

38、电阻的导接地就是将一个点与某个点位基准面用导体连接起来建立低电阻的导 电通道。电通道。 安全接地的作用安全接地的作用：（：（1）防雷（瞬时高电位、大电流）防雷（瞬时高电位、大电流） （2）保护人生设备安全（电荷积累、绝缘下降）保护人生设备安全（电荷积累、绝缘下降） 工作接地的作用：建立信号基准，防止电子设备内部电路相互干扰工作接地的作用：建立信号基准，防止电子设备内部电路相互干扰 干扰抑制接地：干扰抑制接地：受信受信方方-防止外部干扰的影响；干扰源防止外部干扰的影响；干扰源-降低干扰辐射降低干扰辐射 自然界的土壤地层有两大电气特性：自然界的土壤地层有两大电气特性： 导电导电:导电率为导电率为1

39、0-3至至10-1S/m，介于良导体和绝缘体之间；，介于良导体和绝缘体之间； 容电量容电量 大地导电大地导电 可可将电气设备将电气设备和地间组成电气和地间组成电气连接连接 容容电量电量 ，可，可把土壤地层理解为等把土壤地层理解为等电位面电位面，成为系统成为系统的基准电位。的基准电位。 计算机控制装置计算机控制装置 32 从工业应用的角度来看，目前控制系统通常有两种接地方式从工业应用的角度来看，目前控制系统通常有两种接地方式： 单独接地单独接地等电位联结（连接）等电位联结（连接） 1）单独接地单独接地 ：将将控制系统的控制系统的保护接地、保护接地、 工作接地通过独立的工作接地通过独立的、“干净的

40、干净的” 接地装置与大地接地装置与大地相接相接 注：两个接地点间会有数注：两个接地点间会有数mV，甚至几伏的电位差。这对弱电信号来说，是，甚至几伏的电位差。这对弱电信号来说，是 一个严重的干扰，控制系统的工作地和保护地不能在一个严重的干扰，控制系统的工作地和保护地不能在“柜内柜内”混用混用。 2）等电位联结等电位联结 ：与电位：与电位基本相等基本相等的等点位接地网实现多点电气连接，的等点位接地网实现多点电气连接， 进而和接地极相连，进而和接地极相连，各接地点之间的地电位差最小各接地点之间的地电位差最小. 和单独接地相比，等电位联结有如下的和单独接地相比，等电位联结有如下的特点特点： 常规的接地

41、方式会因常规的接地方式会因电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位地电位电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位地电位 差的存在差的存在，严重时无法，严重时无法保障人身和控制系统的保障人身和控制系统的安全。采用安全。采用等电位联结等电位联结， 就就可可减小或避免这种危险的发生减小或避免这种危险的发生。 由于建筑物各处均为等电位，不易产由于建筑物各处均为等电位，不易产生共模干扰（生共模干扰（基准相同）基准相同） 实施方便，等电位接地系统已为国际标准采用，并逐步在国家标准中推实施方便，等电位接地系统已为国际标准采用，并逐步在国家标准中推 广。广。 计算机控制装置计算机控制装置 33 S型型(星星 型型

42、)接地接地 系统系统 ERP Earthing Reference Point 接地基准点接地基准点 等电位等电位 接地网接地网 控制系控制系 统机柜统机柜 等等电位联结的三种方法电位联结的三种方法 M型型(网络型网络型) 接地系统接地系统 混合型接地系统混合型接地系统 PE电源保护地工作地电源保护地工作地 PE 配电箱配电箱 等电位接地网等电位接地网 机柜机柜 接地汇流排接地汇流排 接地接地 干线干线 计算机控制装置计算机控制装置 34 串联接地因各电路的地电流在地串联接地因各电路的地电流在地 线阻抗以及连接阻抗会引起各电线阻抗以及连接阻抗会引起各电 路间的耦合路间的耦合，应避免避免使用使用

43、。 如果不可避免，则应尽量使地线阻 抗趋向最小。 设备设备1设备设备2设备设备3 I3 I2 I1 A B C R1 R2 R3 V VA AV VB BV VC C 系统内部连接（串联接地和并联接地）系统内部连接（串联接地和并联接地） 设备设备1 1设备设备2 2设备设备3 3 R1 R2R3 I1 I2 I3 R4 A 并联并联接地接地：电路间耦合电路间耦合减小减小 应强调应强调“分类汇总分类汇总”。 汇总汇总点离和地的接入点点离和地的接入点愈近与好愈近与好。 （R4显然显然是是愈小愈小愈好愈好） 计算机控制装置计算机控制装置 35 低压系统接地制式按配电系统和电气设备（包括信息系统）不同

44、的接低压系统接地制式按配电系统和电气设备（包括信息系统）不同的接 地组合来分类，按照地组合来分类，按照IECIEC规定，低压系统接地制式一般由两个字母组规定，低压系统接地制式一般由两个字母组 成，必要时可加后续字母。成，必要时可加后续字母。 按低压系统接地制式划分有按低压系统接地制式划分有TN-STN-S、TN-CTN-C、TN-C-STN-C-S、TTTT、ITIT等五种。等五种。 低压配电系统的接地制式低压配电系统的接地制式 第一个字母表示电源接地点对第一个字母表示电源接地点对 地的关系地的关系： T表示直接表示直接接地接地 I表示不接地表示不接地 第二个字母表示电气设备的外露导电部第二个

45、字母表示电气设备的外露导电部 分（如分（如DCS的机柜）与地的关系的机柜）与地的关系： T表示独立于电源接地点直接表示独立于电源接地点直接接地接地 N表示直接与电源接地点连接。表示直接与电源接地点连接。 后续字母表示中性线（后续字母表示中性线（N）与保）与保 护线（护线（PE）之间的关系：）之间的关系： C表示表示中线中线（N）与保护线）与保护线 （PE）合并为）合并为PEN线；线； S表示表示表示表示中线中线与保护线与保护线分开分开 C-S表示在电源侧为表示在电源侧为PEN线，线， 从某点分开为从某点分开为N及及PE线线 计算机控制装置计算机控制装置 36 TN-C系统系统 简单、经济简单、

46、经济 但当三相负载不但当三相负载不 平衡时，平衡时，PENPEN线线 有电流有电流，其所产，其所产 生的压降呈现在生的压降呈现在 电气设备的外壳电气设备的外壳 上，对敏感性的上，对敏感性的 电子设备不利。电子设备不利。 L1 L2 L3 PEN L1 L2 L3 N PE TN-S系统系统 在正常时在正常时PE线上不线上不 通过负荷电流通过负荷电流，与，与 PE线相连的电气设线相连的电气设 备的金属外壳在正备的金属外壳在正 常运行时不带电位常运行时不带电位。 优先考虑优先考虑 L1 L2 L3 N PE L1 L2 L3 PEN TN-C-S系统系统 前端前端TN-C系统系统 后面为后面为TN

47、-S系统系统 L1 L2 L3 N PE L1 L2 L3 PE TT系统系统 TTTT系统内，电气设系统内，电气设 备的金属外壳单独备的金属外壳单独 接地，与电源在接接地，与电源在接 地上无电气联系。地上无电气联系。 其优点是避免发生其优点是避免发生 故障时，将故障电故障时，将故障电 压蔓延。压蔓延。 IT系统系统 系统没有配出中性系统没有配出中性 线。适用于大型电线。适用于大型电 厂厂的用电的用电。 计算机控制装置计算机控制装置 37 （1）新近颁布的）新近颁布的建筑物电子信息系统防雷技术规范（建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB 50343- 2004）第第5.4.1条作了下列强制性的规

48、定：条作了下列强制性的规定：“电子信息系统电子信息系统 设备由设备由TN交流配电系统供电时，配电线路必须采用交流配电系统供电时，配电线路必须采用TN-S系统系统 的接地方式。的接地方式。”（“建筑物防雷设计规范建筑物防雷设计规范 GB50057-94”第第 6.4.1条也如此规定）条也如此规定） （2）石油化工仪表接地设计规范（石油化工仪表接地设计规范（SH 3081-2003）第第3.1.2条条 规定：规定：“控制室用电应采用控制室用电应采用TN-S系统。整个系统中，保护线系统。整个系统中，保护线 PE与中线与中线N是分开的是分开的。” 计算机控制装置计算机控制装置 38 接地电阻接地电阻

49、定义一：定义一：接地电阻接地电阻包括上述四个电阻之包括上述四个电阻之和。其中，和。其中，接地体附近的土壤电接地体附近的土壤电 阻是主要的阻是主要的，RG2/RG3往往可以忽略往往可以忽略不计。不计。 定义二：定义二：从从仪表设备仪表设备的接地端子到总接地板之间导体及连接点电阻的总的接地端子到总接地板之间导体及连接点电阻的总 和称为和称为联结电阻联结电阻；接地极对地电阻和总接地板、接地总干线及；接地极对地电阻和总接地板、接地总干线及 接地总干线两端的连接点电阻之和称为接地总干线两端的连接点电阻之和称为接地电阻接地电阻。 后一种说法是因为它对联结电阻和接地电阻分别提出了不同的要求。后一种说法是因为

50、它对联结电阻和接地电阻分别提出了不同的要求。 接地板、接地导线电阻接地板、接地导线电阻 接地体电阻接地体电阻 接地体与土壤接触电阻接地体与土壤接触电阻 附近土壤电阻附近土壤电阻 G R 1 G R 2 G R 4 G R 3 虽然土壤为不良导体，但因其容量、电流通路的截面积很大，故接地虽然土壤为不良导体，但因其容量、电流通路的截面积很大，故接地 电阻电阻仍然很小仍然很小。 接地电阻接地电阻主要取决于接地极附近的接地电阻值主要取决于接地极附近的接地电阻值，和，和接地极的形状大小接地极的形状大小 有关有关。 上述接地电阻是指工频电流从接地体向周围大地散流时，土壤呈现的上述接地电阻是指工频电流从接地

51、体向周围大地散流时，土壤呈现的 电阻值，即为工频接地电阻。电阻值，即为工频接地电阻。 控制系统的接地电阻通常要求控制系统的接地电阻通常要求44 计算机控制装置计算机控制装置 39 接地电阻的测量接地电阻的测量 1）原始的伏安法）原始的伏安法 测量时测量时，各电极相距，各电极相距20-50米（不同资料有米（不同资料有 不同说法），不同说法），并成直线并成直线排列排列 P在在EC中点并前后移动中点并前后移动接地棒（接地棒（3-5米距离）米距离） 重复三次重复三次测量；三次结果测量；三次结果相近，相近，说明测量说明测量 基本准确，取均值；否则加大基本准确，取均值；否则加大E-C间间距离距离。 不要不

52、要在雨天测量。在雨天测量。 V A 工频电源工频电源 接接 地地 极极 接接 地地 棒棒 辅辅 助助 极极 2）理论计算）理论计算 r 为土壤电阻率为土壤电阻率 r dx 1 r 计算机控制装置计算机控制装置 40 半球状电极半球状电极垂直棒电极垂直棒电极扁带状电极扁带状电极 板状电极（厚度板状电极（厚度 很薄）很薄） 形状 接地电 阻（近 似） r l d r d d l a b a a b 注：地表下注：地表下0.15米到米到0.5米处土壤处于干湿交界的地方，接地导体易受腐米处土壤处于干湿交界的地方，接地导体易受腐 蚀，所以规定埋深不小于蚀，所以规定埋深不小于0.6米。米。 计算机控制装置

53、计算机控制装置 41 接地系统接地系统 接地联接接地联接 接地装置接地装置 接地连线接地连线 接地汇流排接地汇流排 接地分干线接地分干线 接地汇总板接地汇总板 接地干线接地干线 总接地板总接地板 接地极接地极 接地总干线接地总干线 接接地系统的组成地系统的组成 计算机控制装置计算机控制装置 42 镀锌镀锌钢材、铜、美国钢材、铜、美国ATI镀铜钢（寿命可达镀铜钢（寿命可达30年年 铜铜的导电率是钢的的导电率是钢的8倍，铜的耐腐蚀性也比钢好，但铜的价格也是倍，铜的耐腐蚀性也比钢好，但铜的价格也是“好好” 的，其单价约是镀锌钢的的，其单价约是镀锌钢的4-5倍。综上所述，铜材接地系统性能稳定、倍。综上

54、所述，铜材接地系统性能稳定、 可靠、免维护，寿命长。可靠、免维护，寿命长。 接接地材料的选择地材料的选择 1）接地系统的导线应采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆。）接地系统的导线应采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆。 2）接地系统的导线应按下列数值范围选用）接地系统的导线应按下列数值范围选用： 接地接地连连线线12.5（mm2） 接地接地分分干线干线416 mm2 接地干线接地干线1025 mm2接地接地总总干线干线1650 mm2 3)接地接地汇流排、联接板规格汇流排、联接板规格 接地接地汇流排宜采用汇流排宜采用256的铜条制作。的铜条制作。 接地接地汇总板和总接地板应采用铜板制作。铜板厚度不应小于

55、汇总板和总接地板应采用铜板制作。铜板厚度不应小于6mm，长，长 宽尺寸按需要确定。宽尺寸按需要确定。 计算机控制装置计算机控制装置 43 1）仪表和控制系统的接地联结采用）仪表和控制系统的接地联结采用分类汇总分类汇总，最终与总接地板联结的方，最终与总接地板联结的方 式。交流电源的式。交流电源的中线起始端中线起始端应与接地极或总接地板连接。应与接地极或总接地板连接。 2）当已把建筑物（或装置）的金属结构、基础钢筋、金属设备、管道、）当已把建筑物（或装置）的金属结构、基础钢筋、金属设备、管道、 进线配电箱的进线配电箱的PE（保护接地线）母（保护接地线）母排排等等形成形成等电位联结时，仪表、控等电位

56、联结时，仪表、控 制系统各类接地也应汇接到该总接地板，实现制系统各类接地也应汇接到该总接地板，实现等电位联结等电位联结。 3）当尚未形成等电位联结，仪表、控制系统可以采用）当尚未形成等电位联结，仪表、控制系统可以采用单独接地单独接地，工作接，工作接 地采用单独的接地体并与电气专业接地体须相距地采用单独的接地体并与电气专业接地体须相距5m以上以上。 4）在各类接地联结中）在各类接地联结中严禁接入开关或严禁接入开关或熔断器熔断器；地下地下部分要采用焊接连接。部分要采用焊接连接。 接地原则接地原则 计算机控制装置计算机控制装置 44 1 1）不屏蔽接地干线会带来干扰）不屏蔽接地干线会带来干扰 现象现

57、象：某尿素装置：某尿素装置DCSDCS系采用单独接地，系采用单独接地， 但信号总是飘移不定。但信号总是飘移不定。 原因原因：后来发现，其接地干线长：后来发现，其接地干线长5050米，米， 从三楼沿外墙敷设到接地体，没从三楼沿外墙敷设到接地体，没 有穿管屏蔽，过长的接地干线，有穿管屏蔽，过长的接地干线， 如果没有屏蔽措施，接地干线就如果没有屏蔽措施，接地干线就 象是一根天线，可以接受大量的象是一根天线，可以接受大量的 干扰信号，使系统无法稳定工作，干扰信号，使系统无法稳定工作， 乃至系统卡件发生故障。乃至系统卡件发生故障。 结论结论：接地干线应愈短愈好，必要时也：接地干线应愈短愈好，必要时也 应

58、该采取屏蔽措施。应该采取屏蔽措施。 控制室控制室 三楼三楼 DCS单独接地单独接地原有接地网原有接地网 大电流设大电流设 备备 几个接地案例的分析几个接地案例的分析 计算机控制装置计算机控制装置 45 2 2）保持和其它接地系统的距离）保持和其它接地系统的距离 现象现象：某玻璃装置的：某玻璃装置的DCS采用单独接地，采用单独接地， 发现信号干扰很大。发现信号干扰很大。 原因原因：DCS的单独接地体和原有的接地网的单独接地体和原有的接地网 相距不到相距不到5米。米。 结论结论：若：若DCS采用单独接地，其接地体和采用单独接地，其接地体和 电气接地网相距必须大于电气接地网相距必须大于5米，和米，和

59、 防雷接地体相距必须大于防雷接地体相距必须大于20米。米。 控制室控制室 三楼三楼 DCS单独接地单独接地原有接地网原有接地网 大电流设大电流设 备备 计算机控制装置计算机控制装置 46 小于小于10米米 控制室控制室大功率电动大功率电动 机机 3）等电位接地也要考虑接地引入点（）等电位接地也要考虑接地引入点（ERP）的位置）的位置 现象：现象：某装置某装置DCS系统采用等电位接地，但信号中常常系统采用等电位接地，但信号中常常出现不明出现不明的波形。的波形。 原因：原因：离离DCS的接地引入点不到的接地引入点不到10米处有大功率电动机的接地点。米处有大功率电动机的接地点。 结论：结论：保持和防雷地、大电流高电压设备的接地点有不小于保持和防雷地、大电流高电压设备的接地点有不小于10米的距离。米的距离。 计算机控制装置计算机控制装置 47 5.3.6.电源系统