控制工程中的抗干扰技术

控制工程中的抗干扰技术KONGZHIGONGCHENGZHONGDEKANGGANRAOJISHU徐义亨编著浙江中控技术有限公司2007年5月-1-前言如果将控制系统的抗干扰作为一门技术的话，它应该包括两大方面。一是在对系统本体的电子线路、结构以及软件进行设计时应考虑的抗干扰措施；二是控制系统在工程应用中的抗干扰技术。本书讨论的是后者。控制系统在生产过程的应用中，最困难和最迷惑的问题之一是如何抑制控制系统所面临的种种噪声。由于笔者切身感受到干扰对控制系统的正常运行所带来的麻烦乃至如雷击之类所带来的灾害，迫使我们去正视控制系统抗干扰问题的调查和研究。我们在实践中发现，由于工程环境的多样性和复杂性，解决这一类问题非常耗时，也很伤人脑筋。再则，从事自动化工程的人们在工科大学里，一般没有机会专门去接受控制系统抗干扰方面的培训，而且大多数与此相关的文献资料又都零散地刊登在许多不同的书刊上，并非所有的工程师都有条件或都能方便、快速地找到所需的资料。为此，似乎就有必要编写一本包含控制系统抗干扰技术在工程实践中方方面面的参考书，以给从事自动化工程的人们提供一种实用的帮助。世界上的许多事件，其深层次的基本单元和基本规律并不复杂。通过抗干扰技术的深入研究，实际遇到的大多数的干扰问题往往源出于那些基本的噪声源和基本的耦合途径。任何的干扰现象都可以用一些基本的物理概念来解释，这就是所谓的“天道崇简”。因而将多样而又复杂的干扰问题分解为一系列简单的机理，是编写本书时所作的一种尝试。原书共分10章，除第1章是概述外，后面其它章在内容上是可以独立的。其中有关控制系统的雷电防护，汇总了笔者和其同仁们在近几年所作的大量工作。每章的最后都列出了参考文献，为那些期望了解更多信息的人们提供一种方便。（限于时间，本次仅介绍四章。）由于控制系统的抗干扰技术涉及的学科和领域非常广泛，而且又是不断发展中的边缘学科，尽管笔者竭尽其力，但限于水平，总感到内容十分单薄，错误不当之处在所难免，敬请读者不吝指正。本书在编写过程中，得到浙江中控技术公司金建祥先生、熊菊秀女士的大力支持，同时也蒙黄文君先生对本书的初稿提出过许多有益的建议，在此表示衷心的感谢。徐义亨于中控科技园2007年5月-2-目次前言第1章概述………………………………………………………………………………11.1噪声和干扰……………………………………………………………………………11.2构成噪声问题的三要素………………………………………………………………11.3噪声的耦合途径…………………………………………………………………………21.4串模干扰和共模干扰…………………………………………………………………31.5控制系统的电磁兼容性…………………………………………………………………61.6控制系统消除干扰的途径………………………………………………………………15参考文献………………………………………………………………………………………15第2章线缆的静电屏蔽和电磁屏蔽…………………………………………………172.1电容性耦合噪声和其抑制方法……………………………………………………………172.2电感性耦合噪声和其抑制方法……………………………………………………………212.3电磁场耦合噪声和其抑制方法……………………………………………………………272.4外部信号线缆的选择和敷设………………………………………………………………30参考文献…………………………………………………………………………………………32第3章控制室格栅型屏蔽的设计计算………………………………………………………333.1问题的提出…………………………………………………………………………………333.2已知屏蔽网格，求磁场强度的衰减是否符合控制系统的脉冲磁场抗扰度……………333.3已知控制系统的脉冲磁场抗扰度，求屏蔽网格的宽度W等参数………………………363.4关于控制系统的脉冲磁场抗扰度…………………………………………………………383.5关于屏蔽导体截面的影响…………………………………………………………………383.7结束语………………………………………………………………………………………38参考文献…………………………………………………………………………………………39第4章控制系统的雷电保护………………………………………………………………404.1雷电的基础知识…………………………………………………………………………40-3-4.2雷电对控制系统侵害的途径……………………………………………………………424.3雷电电磁脉冲（LEMP）的基本防护措施………………………………………………454.4雷电活动区、雷电防护区和防护措施分级……………………………………………514.5DCS遭雷击的典型案例分析……………………………………………………………544.6DCS雷害的风险评估…………………………………………………………………594.7低压系统浪涌保护器（SPD）的配置和应用……………………………………64参考文献…………………………………………………………………………………………75第1章概述工业的高速发展对控制系统的依赖性越来越强。分散型控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）、现场总线控制系统（FCS）、工业控制机（IPC）以及各种测量控制仪表已是构成工业自动化的主要硬件设施。随着微电子技术的发展和控制系统集成化程度的提高，大规模集成芯片内单位面积的元件数越来越多，所传递的信号电流也越来越小，系统的供电电压也越来越低，现已降到5V、3V乃至1.8V。因此，芯片对外界的噪声也越趋敏感，所以显示出来的抗干扰能力也就很低。再则，相对于其它的电子信息系统，控制系统不但系统复杂，设备多，输入/输出（I/O）端口多，特别是外部的连接电缆又多又长，这类似于拾取噪声的高效天线，给噪声的耦合提供了充分的条件，使得各种噪声容易侵入控制系统。欲提高控制系统的抗干扰能力，除了在设计系统本体的电子线路、结构以及软件时应于考虑的各项抗干扰措施外，更重要的是如何提高控制系统在工程应用中的抗干扰技术，因为目前我们还不可能做到将控制系统的抗干扰性能完全由控制系统本体去承担。这诚如我们不能把人类抵抗疾病的能力完全依赖于每个人的免疫能力一样，消灭病菌和病毒，抑制疾病的传播途径是有着更为重要的作用。控制系统在工程中的应用必将遇到各种各样的噪声，噪声又会通过各种耦合途径干扰控制系统的正常运行。如何对噪声的产生以及噪声在传播途径中的影响予以有效的抑制，便是控制系统于工程应用中抗干扰技术的全部内容。1.1噪声和干扰对有用信号以外的所有电子信号总称为噪声。可以将噪声源分成三大类：1）本征噪声源，其来源于物理系统的随机波动，例如热噪声和散粒噪声等；2）人为噪声源，例如电机、开关、数字电子设备、无线电发射装置等在运行过程中所带来的噪声；3）自然界干扰引起的噪声，例如雷击和太阳的黑子活动等。当噪声电压大到足够大时，足以在接收中造成骚扰使一个电路产生误操作，这就形成一个干扰。噪声是一种电子信号，它是不能消除的，而只能在量级上尽量减小直到不再引起干扰。-4-而干扰是指某种效应，是由于噪声对电路造成的一种不良反应。所以电路中存在着噪声，但不一定形成干扰。“抗干扰技术”就是将影响到控制系统正常工作的干扰减少到最小的一种方法。1.2构成噪声问题的三要素典型的噪声路径如图1.1所示。由此可见，一个噪声问题，它包括噪声源、噪声的传播途径和感受体三个要素。处理控制系统的抗干扰问题首先要定义如下的三个问题：图1.1噪声问题的三要素1）产生噪声的源头是什么？2）哪些是对噪声有敏感的感受体？3）将噪声从源头传送到感受体的耦合途径是什么？通常，回答了这三个问题后，我们就可以着手解决所遇到的噪声问题。一般而言，有三种基本的方法去抑制噪声：1）尽量将客观存在的噪声源的强度在发生处进行抑制，这是最有效的方法。但是并非所有的噪声源都可以抑制的，如雷击、无线电天线发射等。2）提高感受体对干扰的抗扰度，这取决于控制系统本身电磁兼容性（EMC）中的抗扰度。3）减小或拦截通过耦合路径传输的噪声量的大小，即减少传播路径上噪声的传输量。这是控制系统在工程应用中所面临的一大问题，也是在工程中抑制干扰最有效的措施。所以就要求在布线、接地、屏蔽、控制室设计、信号的处理和隔离、供源等多方面采取措施。图1.2是一个直流电动机系统，它包括直流电动机和其控制电路两大部分。该系统的主要噪声源为直流电动机的电刷与换向器之间产生的电弧。传播途径为连接到直流电动机上的导线和通过导线辐射出来的电磁场。感受体为直流电动机附近的弱信号回路和电动机控制电路。在这种情况下，不大可能对噪声源采用更多的抑制措施，因而只能通过抑制耦合路径的方式来消除干扰，即消除通过导线传导到电动机控制电路的噪声和屏蔽来自导线的辐射噪声。在后面的章节里，我们将对这些抑制方法作详细地讨论。1.2直流电动机系统噪声的传播途径噪声源感受体电动机控制电路直流电动机弱信号回路噪声电流-5-1.3噪声的耦合途经从物理概念上说，噪声的耦合途经大致有五种：l导线直接传导耦合；l经公共阻抗的耦合；l电容性耦合；l电感性耦合；l电磁场耦合。所谓的导线直接传导耦合系指噪声是通过信号线和交、直流电源线以及通信线等将信号源或电源里夹带的噪声直接传导给电路。这种耦合是最常见的，如串模干扰都属此例。抑制此类噪声的最基本方法就是避免导线拾取噪声，或者在它干扰敏感电路前用去耦或滤波（包括数字滤波）的方式消除噪声的影响。所谓的公共阻抗耦合系指噪声源回路和受干扰回路之间存在着一个公共阻抗，噪声电流通过这个公共阻抗所产生的噪声电压，传导给受干扰回路。如图1.3所示的电路，当回路1的不正常运行会引起公共阻抗顶端电位的变化，从而给回路2带来一个干扰，从而影响回路2的运行。抑制此类噪声的最基本方法就是减小公共阻抗的阻值。图1.3公共阻抗耦合电路电容性耦合又称静电耦合或静电感应，它是由电路间电场的相互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着分布电容。电感性耦合又称电磁耦合或电磁感应，它是由电路间磁场的相互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着互感。这四种耦合均称为传导性耦合。其中电容性耦合和电感性耦合又称为近场辐射。此外还有电磁场辐射，它又称为辐射耦合或远场辐射，它是电场和磁场相结合的耦合，并通过能量的辐射对线路产生干扰的。有关电容性耦合、电感性耦合和电磁场辐射等这些内容将在第2章中详细讨论。严格地说，有关噪声问题的求解，需要通过麦克斯韦方程组才能得到，该方程组是三个空间变量（x、y、z）和时间（t）的函数。这样，问题就变得非常复杂，非一般工程技术人员能够接受和理解。为此，在本书里，我们还是采用“电路”的理论用集中参数来近似地求解。所以我们采取了如下的假设：1）用一个连接在两导体间的电容来表示两导体间存在的一个随时间变化的电场；2）用一个连接在两导体间的互感来表示两导体间互相耦合的一个随时间变化的磁场。1.4串模干扰和共模干扰在信号传递通道中的所谓干扰系指由外来能源引起的使所需信号的接收受到扰乱或使信号本身受到扰动的一种现象。按干扰源VC和信号源VS的连接关系，或者说按干扰源VC对电路作用的形态有串模干扰-6-和共模干扰之分（见图1.4）。所谓串模干扰就是干扰源Vc串联于信号源Vs之中。或者简单地认为干扰源Vc和信号源Vs是迭加在一起的。在输入回路中干扰源Vc与信号源Vs所处的地位完全相同。串模干扰也称横向干扰或差模干扰。串模干扰源自于：1）信号线受空间电磁辐射的感应；2）通过变送器的供电电源串入的电网干扰；3）信号源本身产生的干扰。放大器的地和信号源的地之间由于地电平的差异所形成的干扰称共模干扰，或谓出现在输入电路端子和地之间的一种干扰形式，也称纵向干扰或共态干扰。这种干扰（地电位差）在实际测量中是普遍存在的，根据干扰环境、输入信号源和输入系统的距离等因素，这地电位差一般可达几伏、十几伏甚至100