Mechatronics 版 (精华区)

发信人: hzy (puma), 信区: Mechatronics
标  题: 工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年11月13日21:59:03 星期二), 站内信件

0 引 言
工业现场动力线路密布，设备启停运转繁忙，因此存在严重的电场和磁场干扰。而工业
控制系统又有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中，导线之间形成相互耦合是通道
干扰的主要原因之一。它们主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式
。
在工业控制系统中，由前两种耦合造成的干扰是主要的，第三种是次要的。它们对电路
主要造成共模形式的干扰。
1 屏蔽抗干扰技术
1.1 电场耦合的屏蔽和抑制技术
克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受
外电场的影响。请注意，屏蔽电场耦合干扰时，导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线
使用。因在有地环电流时，这将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导线。正确的作法是
把屏蔽层单点接地，一般选择它的任一端头接地。
减小电场耦合干扰的主要措施是减少两导线之间的分布电容，即采用远离技术：弱信号
线要远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路。工程上的"远离"概念，通常取干扰导线
直径的40倍，即认为足够了。同时，避免平行走线也可以减小。
1.2 磁场耦合的抑制技术
抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大电流载
流导线等等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来，在工程上是很难
做到的。通常是采用一些被动的抑制技术。
要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同时，也要避免平行走线。
1.3 屏蔽线的使用
图2示出了屏蔽线使用的三种情况。图(a)是单端接地方式。假设信号电流i1从芯线流入
屏蔽线，流过负载电阻RL之后，再通过屏蔽层返回信号源。因为i1与i2大小相等方向相
反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施。同时它
也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。图(b)是两端接地方式。由于屏蔽层上流过的
电流是i2与地环电流iG的迭加，所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此
，它抑制磁场耦合干扰的能力也比图(a)差。图(a)和(b)都有屏蔽电场耦合干扰作用。图
(c)的屏蔽层悬浮，因此，它只有屏蔽电场耦合干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。

1.4 双绞线的使用
双绞线的绞扭节距把式(3)中的A回路分隔成许多的小回路，如果双绞线的绞扭一致的话
，那么这些小回路的面积相等而法方向相反，因此，其磁场干扰可以相互抵消。双绞线
的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力。当给双绞线加上屏蔽层后，一个价廉物美的传
输线就诞生了。图3示出了双绞线的使用方法。如果每2.54 cm扭6 个均匀绞扭的话，当
采用上节约定的参数时，根据国外专家的实验测定，各用法对磁场干扰的抑制dB数如图
所示。其中图(a)采用单端接地方式，因此对磁场干扰具有高达55 dB的衰减能力。可见
，双绞线确实有很好的效果。而图(b)由于两端接地，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地
环电流造成了双绞线电流不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力，所以图(b)只有
13 dB的磁场干扰衰减能力。图(c)使用屏蔽双绞线，由于其屏蔽层一端接地，另一端悬
空，因此屏蔽层上没有返回信号电流，所以它的屏蔽层只有抗电场干扰能力，而无抑制
磁场耦合干扰能力。所以图(c)的dB数与图(a)一样衰减55 dB。图(d)屏蔽层单端接地，
而另一端又与负载冷端相连，因此它具有图2(a)的效果，但它的屏蔽层上的电流由于被
双绞线中的一根分流，又比图2(a)稍差。具有77 dB的衰减。图(e)的屏蔽层双端接地，
具有一定的抑制磁场耦合干扰能力，加上双绞线本身的作用，因此具有63 dB的衰减。图
(f)的屏蔽层和双绞线都两端接地，因此其效果只是比图3(b)稍好。具有28 dB衰减。
双绞线最好的应用是作平衡式传输线路。因为两条线的阻抗一样，自身产生的磁场干扰
或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时，平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力，
因此成为大多数计算机网络的传输线。例如，物理层采用RS422A或RS485通信接口，就是
很好的平衡传输模式。
2 接地抗干扰技术
接地抗干扰技术的主要内容，其一是避开地环电流的干扰；其二是降低公共地线阻抗的
耦合干扰。"一点接地"有效地避开了地环电流；而在"一点接地"前提下，并联接地则是
降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施；它们是工业控制系统采用的最基本的接地方
法。


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