,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,34,11,、计算机控制系统的抗干扰设计,11.1.,干扰的定义,11.2.,干扰的抑制方法简介,11、计算机控制系统的抗干扰设计11.1.干扰的定义,11.1,干扰的定义,系统在工作过程中可能会出现例如不稳定、漂移、失真等不正常现象 。,产生这些现象的原因：,（,1,）可能因系统本身结构、器件质量、制造工艺等存在问题,（,2,）也可能是电子测量系统受外部的工作环境， 如电源电压波动、环境温度变化或其他电气设备的影响等。,这些来自内部和外部的影响系统正常工作的各种因素， 统称为“干扰”。本章讨论的干扰偏于指外部因素。,电磁干扰,机械干扰,热干扰,光干扰,湿度干扰,化学干扰,尖峰脉冲,大功率设备启停,工频噪声,电源不干净或动力线对信号线的串扰,电压波动,电网过欠电压,放电噪声,电极击穿、电焊等,电磁波干扰,接地噪声,地电位不同,雷电干扰,直接雷、感应雷,11.1 干扰的定义系统在工作过程中可能会出现例如不稳定、,电磁干扰,EMIElectromagnetic Interference,电磁兼容,EMCElectromagnetic Compatibility,11.2,干扰的抑制方法简介,电磁干扰的危害性,电磁兼容设计目的,影响它人（害人）,自身影响（害己）：稳定性、精确度、失效,降低电磁干扰辐射，减小对其他设备的影响,使自身免受或少受外部干扰的影响,主要手段：屏蔽,+,接地,+,防雷,+,防电磁干扰、防静电干扰，防雷电干扰,电磁干扰 EMIElectromagnetic Inte,11.2.1,屏蔽,(shielding),技术,用来抑制电磁场从空间的一个区域传递到另一个区域,分为外壳（柜体）屏蔽，电缆屏蔽,屏蔽效果,(,能量衰减,),取决于哪些方面？,吸收,反射,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，这部分能量称为屏蔽材料的吸收损耗。,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，使穿过界面的电磁能量减弱。,一、外壳（柜体）屏蔽,抑制电场干扰和抑制磁场干扰是有不同的,11.2.1屏蔽(shielding)技术用来抑制电磁场从空,一、外壳（柜体）屏蔽,电场屏蔽,反射为主,磁场屏蔽,吸收为主,高电压、小电流干扰源：,低电压、大电流干扰源：,电场干扰为主，磁场往往可以忽略,磁场干扰为主，电场往往可以忽略,电场屏蔽适宜材料,良导体，接地,与厚度无关,磁场屏蔽适宜材料,高导磁率材料,与厚度有关,一、外壳（柜体）屏蔽电场屏蔽反射为主,（,1,）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、耦合电容和金属屏蔽体,接地电阻,之“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,屏蔽体的厚度关系不大,。,屏蔽体,电磁屏蔽的若干实际问题,（1）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,（,2,）（低频）磁场屏蔽,是利用,高导磁率,的材料构成,低磁阻通路,，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。,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,。,几个问题：,强磁场屏蔽：,高导磁材料在强磁场中极易,饱和,，丧失导磁效能,怎么办？,双层，外层（低导磁材料，内层高导磁材料）,高频磁场屏蔽：,导磁率越高，适用抑制的频率越低。高频磁场通常趋于远程，用,高电导率材料屏蔽体,+,良好接地通常效果也是不错,高频强磁场屏蔽：,把设备挪开,或结合前两种思想解决,（2）（低频）磁场屏蔽是利用高导磁率的材料构成低磁阻通路，实,（,3,）屏蔽体上开孔和接缝,通风口,显示窗,键盘,指示灯,电缆插座,调节旋钮,电源线,缝隙,漏磁,开孔主要影响磁场屏蔽效果,减小缝隙的基本思路：用机械手段来增加接触面的平整度；,增加紧固件（螺钉等）的密度,用电磁密封衬垫（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,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,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,（3）屏蔽体上开孔和接缝通风口显示窗键盘指示灯电缆插座调节旋,(4),屏蔽材料,一般金属材料的电导率都很高，导磁率都不是固定不变的,高导磁率材料具有以下特点：,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,强磁场极易引起磁饱和,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,(4)屏蔽材料一般金属材料的电导率都很高，导磁率都不是固定不,(5),一般性结论,电场反射损耗大；磁场，反射损耗较小，主要靠高导磁吸收,在低频时，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,低频磁场用磁性材料进行屏蔽,电场、高频磁场用良导体,电场屏蔽、静电屏蔽必须接地，屏蔽体上可以任意开缝,磁场屏蔽不需接地，但开缝会有漏磁,高导磁率材料表面覆盖高电导率材料，可以增加屏蔽效果,实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接縫情况，而不是屏蔽材料本身的屏蔽效果。,(5)一般性结论电场反射损耗大；磁场，反射损耗较小，主要靠高,二、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）,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,80%-95%,以上的面积被金属网或金属箔层覆盖,本身具有吸收和反射衰减作用,二、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,屏蔽层,不能不接地,；多数情况问题不在屏蔽层的质量上，而在屏蔽接地上,电场屏蔽：,单端接地,时，屏蔽层电压为零，可显著减少感应电压；不要把屏蔽层两端都直接接地，否则极易因地电位差在屏蔽层上形成低频电流。,单端接地原则：信号源端接地，信号源浮地则在受信方接地（谁送电谁接地）,磁场屏蔽：两端接地使电磁感应在屏蔽层上产生感应电流，进而产生与主干扰相反的二次场，抵消主干绕场的作用；两端接地可以降低感应面积；，显著降低磁场耦合感应电压（两端接地应注意等电位）,若干结论,高频,/,低频地,高频地,混合接地法：可抑制低频和高频电场干扰。,双屏蔽层：内层采用单端接地，外层采用双端接地，但应考虑在暂态电流作用下屏蔽层不致被烧熔，等电位。,GB 50217-1994,电力工程电缆设计规范,屏蔽层不能不接地；多数情况问题不在屏蔽层的质量上，而在屏蔽接,屏蔽层接地的几种方式,同轴电缆,电缆,(,双绞线,),扁平电缆,安全地,信号地,信号输入,地线,接地板,接地板,一般,可以,不错,理想,屏蔽层接地的几种方式同轴电缆电缆(双绞线)扁平电缆安全地信号,电缆整体屏蔽接地,菊花链,干扰电流不断叠加,一般,比前者好,每个屏蔽直接接到带孔的铜带上，铜带折叠成环，接到接地装置上,更好,电缆整体屏蔽接地菊花链比前者好每个屏蔽直接接到带孔的铜带上，,11.2.2,合理布线（系统）,工业测控系统中常用的信号传输线缆有四种：,屏蔽电缆,/,双绞线（测控系统常用屏蔽双绞线）,/,光纤,/,同轴电缆,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,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（一般指,24V,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,机械保护 室内走线（加装穿线管，如,PVC,管、镀锌管、薄壁不锈钢管等）,架空走线（桥架，室内采用喷塑处理、室外采用不锈钢）,埋地走线（必须加装穿线管）,注意防止鼠患！,续接,屏蔽电缆（尽量避免，必要时可焊接，注意续接处的绝缘和接触电阻）,双绞线（通过,RJ45,等标准接头续接）,光纤（光纤接头连接最方便，但会产生,1020%,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）,11.2.2合理布线（系统）工业测控系统中常用的信号传输线缆,11.2.3,静电防护技术,两种材料的摩擦、碰撞、剥离（接触后分离）的电荷积聚,人体有感觉的静电电压一般都在上千伏乃至万伏以上,2000V,有感；,3000V,有光,现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,100200V,静电电压即可致使集成电路烧毁（即使不上电）,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、炼油化工区域等等,静电感应对,高输入阻抗电路,的影响尤为显著,11.2.3静电防护技术两种材料的摩擦、碰撞、剥离（接触后分,11.2.3,静电防护技术,静电防护的主要措施：,（,1,）,【,避免,】,系统表面尽可能平滑，防止静电积聚；避免化纤类服装；,（,2,）,【,疏导,】,要完全消除静电积聚很困难，工作台、地面铺设防静电材料，穿到防静电服和鞋袜，带防静电腕带；,（,3,）,【,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；,其它：,地面,*,采用防静电地板,良好接地（,2,）,保持,一定湿度,可降低静电影响,11.2.3静电防护技术静电防护的主要措施：,11.2.4,接地系统,接地就是将一个点与某个电位基准面（通常是指大地）用导体连接起来建立低电阻的导电通道。,三种接地类型：,安全接地,工作接地,干扰抑制接地,自然界的土壤地层有,3,大电气特性：,导电,导电率介于良导体和绝缘体之间,容电量,可将电气设备和地间组成电气连接,可把土壤地层理解为等电位面，成为系统的基准电位。,防雷（瞬时高电位、大电流）,保护人生设备安全（电荷积累、绝缘下降）,建立信号基准，防止电子设备内部电路相互干扰,受信方,-,防止外部干扰的影响,干扰源,-,降低干扰辐射,保护地,工作地,11.2.4 接地系统接地就是将一个点与某个电位基准面（通,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,等电位联结（连接）,接地极,独立、干净的接地装置,等电位接地网,和单独接地相比，等电位联结有如下的,特点,：,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差的存在，严重时无法保障人身和控制系统的安全。采用等电位联结，就可,减小或避免这种危险的发生,。,由于建筑物各处均为等电位，不易产生共模干扰（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广。,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,S,型,(,星型,),接地系统,ERP,Earthing Reference Point,接地基准点,等电位接地网,控制系统机柜,等电位联结的三种方法,M,型,(,网络型,),接地系统,混合型接地系统,PE,电源保护地工作地,PE,配电箱,等电位接地网,机柜,接地汇流排,接地,干线,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，是一个严重的干扰；控制系统的工作地和保护地不能在“柜内”,混用,。,S型(星型)接地系统ERP等电位接地网控制系统机柜等电位联结,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路间的耦合，,应,避免使用。,如果不可避免，则应尽量使地线阻抗趋向最小。,设备,1,设备,2,设备,3,I3,I2,I1,A,B,C,R1,R2,R3,V,A,V,B,V,C,系统内部连接（串联接地和并联接地）,设备,1,设备,2,设备,3,R1,R2,R3,I1,I2,I3,R4,A,并联接地：电路间耦合减小,应强调,“分类汇总”,。,汇总点离和地的接入点,愈近与好,。,（,R4,显然是,愈小愈好,）,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路间,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,IEC,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。,按低压系统接地制式划分有,TN-S,、,TN-C,、,TN-C-S,、,TT,、,IT,等五种。,低压配电系统的接地制式,第一个字母表示电源接地点对地的关系：,T,表示直接接地,I,表示不接地,第二个字母表示电气设备的外露导电部分（如,DCS,的机柜）与地的关系：,T,表示独立于电源接地点直接接地,N,表示直接与电源接地点连接。,后续字母表示中性线（,N,）与保护线（,PE,）之间的关系：,C,表示中线（,N,）与保护线（,PE,）合并为,PEN,线；,S,表示表示中线与保护线分开,C-S,表示在电源侧为,PEN,线，从某点分开为,N,及,PE,线,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,TN-C,系统,简单、经济,但当三相负载不平衡时，,PEN,线有电流,，其所产生的压降呈现在电气设备的外壳上，对敏感性的电子设备不利。,L1,L2,L3,PEN,L1,L2,L3,N,PE,TN-S,系统,在正常时,PE,线上不通过负荷电流,，与,PE,线相连的电气设备的金属外壳在正常运行时不带电位。,优先考虑,L1,L2,L3,N,PE,L1,L2,L3,PEN,TN-C-S,系统,前端,TN-C,系统,后面为,TN-S,系统,L1,L2,L3,N,PE,L1,L2,L3,PE,TT,系统,TT,系统内，电气设备的金属外壳单独接地，与电源在接地上无电气联系。其优点是避免发生故障时，将故障电压蔓延。,IT,系统,系统没有配出中性线。适用于大型电厂的用电。,TN-C系统L1L1TN-S系统L1L1TN-C-S系统L1,（,1,）新近颁布的,建筑物电子信息系统防雷技术规范（,GB 50343-2004,）,第,5.4.1,条作了下列强制性的规定：“,电子信息系统设备由,TN,交流配电系统供电时，配电线路必须采用,TN-S,系统的接地方式。,”（“建筑物防雷设计规范,GB50057-94”,第,6.4.1,条也如此规定）,（,2,）,石油化工仪表接地设计规范（,SH 3081-2003,）,第,3.1.2,条规定：“,控制室用电应采用,TN-S,系统。整个系统中，保护线,PE,与中线,N,是分开的,。”,（1）新近颁布的建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB 50,接地电阻,定义一：,接地电阻包括上述四个电阻之和。其中，,接地体附近的土壤电阻是主要的,，,R,G2,/R,G3,往往可以忽略不计。,定义二：,从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和称为,联结电阻,；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。,接地板、接地导线电阻,接地体电阻,接地体与土壤接触电阻,附近土壤电阻,虽然土壤为不良导体，但因其容量、电流通路的截面积很大，故接地电阻仍然很小。,接地电阻主要取决于接地极附近的接地电阻值，和接地极的形状大小有关。,上述接地电阻是指工频电流从接地体向周围大地散流时，土壤呈现的电阻值，即为工频接地电阻。,控制系统的接地电阻通常要求,4,接地电阻定义一：接地电阻包括上述四个电阻之和。其中，接地体附,接地系统,接地联接,接地装置,接地连线,接地汇流排,接地分干线,接地汇总板,接地干线,总接地板,接地极,接地总干线,接地系统的组成,接地系统接地联接接地装置接地连线接地汇流排接地分干线接地汇总,镀锌钢材、铜、镀铜钢,铜的导电率是钢的,8,倍，铜的耐腐蚀性也比钢好，但铜的价格也是“,好,”的，其单价约是镀锌钢的,4-5,倍。结论,接地材料的选择,1,）接地系统的导线应采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆。,2,）接地系统的导线应按下列数值范围选用：,接地连线,1,2.5,（,mm,2,）,接地分干线,4,16 mm,2,接地干线,10,25 mm,2,接地总干线,16,50 mm,2,3),接地汇流排、联接板规格,接地汇流排宜采用,256,的铜条制作。,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,6mm,，长宽尺寸按需要确定。,镀锌钢材、铜、镀铜钢接地材料的选择1）接地系统的导线应采,1,）仪表和控制系统的接地联结采用,分类汇总,，最终与总接地板联结的方式。交流电源的,中线起始端,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、进线配电箱的,PE,（保护接地线）母排等形成等电位联结时，仪表、控制系统各类接地也应汇接到该总接地板，实现,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,单独接地,，工作接地采用单独的接地体并与电气专业接地体须相距,5m,以上。,4,）在各类接地联结中,严禁接入开关或熔断器,；地下部分要采用焊接连接。,接地原则,1）仪表和控制系统的接地联结采用分类汇总，最终与总接地板联结,5.3.6.,电源系统的防雷设计简介,第,1,类器件：突波吸收，如压敏电阻，防雷设备常用,第,2,类器件：击穿后残压很低，如气体放电管，防雷设备常用,防雷的本质就是浪涌抑制，应在大干扰（如雷电能量）进入设备前将能量泄放至大地,5.3.6.电源系统的防雷设计简介第1类器件：突波吸收，如压,限压型器件，当两端施加工作电压时阻值很高，漏电流为,A,级。随着电压升高，阻值降低，电压超过一定值后阻值急剧降低，漏电流可高达几十,KA,，形成雷电泄放通道。当电压回复至工作电压后，压敏电阻恢复原来状态。,U,c,： 最大持续工作交流电压，开关电源一般为,300V,左右。,U,1mA,：标称电压，指漏电流达到,1mA,时施加的端电压，一般为,470V,。,U,max,：最大限制电压,I,n,： 额定通流能力，能安全泄放多次雷电流，一般,20KA,。,I,max,：最大通流能力，能安全泄放,1,次，一般,40KA,，泄放后电阻可能损坏。,响应时间：一般响应时间为,1100ns,。,正常工作时,300V,1mA,标称电压下,=470V,=1mA,泄放电压,775V,可达,40KA,通常可以按照,U,c,=1.5*U,P,或,=2.2*U,AC,计算，,U,P,为峰值电压，单相电网为,310V,A.,压敏电阻,限压型器件，当两端施加工作电压时阻值很高，漏电流为A级。随,气体放电管为开关型器件。,当放电管两端电压小于触发电压时，为断路状态，基本无漏电流。,当电压高于触发电压时，气隙被击穿，可认为短路。,直流开关电源常用的放电管工作电压为,255V,，促发电压为,400V,左右。,放电管触发以后，当两端的电压下降至工作电压以内时，气隙不能灭弧，继续有电流通过。气体放电管的灭弧电压很低，一般为,2050V,，,因此不能安装在火线与零线、火线与地线之间,。,正常工作时,触发电压,400V,R,0,I =40KA,续流期间,50V,R,0,B.,气体放电管,气体放电管为开关型器件。正常工作时触发电,4P,防雷：,国内比较少,在,TN,系统,(,等电位,),，当某相压敏电阻失效，保护地和电源地连通，短路电流很大，防雷开关迅速跳开；,在,TT,系统,(,单独接地,),，两地之间的地电阻较大，短路电流不大（如几十,A,），防雷开关断不开，带来危险（如长时间大电流而起火）,C.4P,防雷系统,4P防雷：国内比较少C.4P防雷系统,3P+1,防雷,（,1,）,TN,系统没有问题，因压敏电阻接在相线和零线之间，故,TT,系统也没有问题,（,2,）差模干扰：压敏电阻能有效泄放,（,3,）共模干扰：通过压敏电阻和气体放电管泄放,（,4,）零线上的电压通过放电管泄放，放电管的续流现象正好使零地残压降得很低。,D.3P+1,防雷系统,3P+1防雷（1）TN系统没有问题，因压敏电阻接在相线和零线,本课程的内容到此结束,感谢全体同学的配合,本课程的内容到此结束,