工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术

孟传良

摘　要　屏蔽是抑制干扰的重要方法。而良好的接地则是使工业控制机系统稳定运行、消除干扰的重要措施。屏蔽和接地两大技术之间的联系密切，如果应用得法，可以明显提高系统的抗干扰能力。论述了工控系统工程中使用屏蔽和接地技术的诸多要点。

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。可以等效为图1中的干扰源Ecm。

图1　地电位差和电磁干扰造成的共模电压的等效图

众所周知，地球是一个静电容量很大的导体，其电位非常恒定。如果把一个导体与大地紧密连接，那么该导体的电位也是恒定的。通常我们把它的电位叫作零电位，它是电位的参考点。然而，工程上不可能做到这种紧密连接，总是存在一定的接地电阻。当有电流经该导体入地时，它的电位就有波动。于是，不同的接地点之间的电位就会有差异。当我们用一根导线连接不同的接地点时，在导线中就可能有电流流动，这称为地环电流。接地抗干扰技术就是解决以地环电流为中心的一系列技术问题。图1 等效示意了信号源地线和放大器地线之间的电位差形成的干扰源EG，它对电路主要造成共模形式的干扰。
　　然而，由干扰源Ecm和EG形成的共模电压，其中一部分会转换成差模电压， 直接对电路造成干扰。假设信号源Es=0，即只考虑干扰源Ecm和EG的作用时。因为i1回路和i2 回路阻抗不相等，因此，回路电流i1和i2也不相等。于是两个电流的差在放大器的输入电阻上形成了差模电压。采取合适的屏蔽和正确的接地措施就可以减少和消除这些干扰。

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。
　　造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。当两导线形成电场耦合干扰时，导线1在导线2上产生的对地干扰电压VN为：

　　式中，V1和ω是干扰源导线1的电压和角频率；R和C2G是被干扰导线2的对地负载电阻 和总电容；C12是导线1和导线2之间的分布电容。通常，C12<<C2G，因此，式(1)可以简化成：

　　从式(2)可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低导线2上的被干扰电压VN， 应当减小导线1的电压V1，减小两导线之间的分布电容C12，减小导线2对地负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C2G。在这些措施中，可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C12。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C12。　　

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。当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时，其在回路2 上形成的串联干扰电压VN为：

　　式中，ω是干扰信号的角频率；B是干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度；A为回路2感受磁场感应的闭合面积，θ是和两个矢量的夹角。
　　从式(3)可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低干扰电压VN，首先应当减小B。对于直线电流磁场来说，B与回路1流过的电流成正比，而与两导线的距离成反比 。因此，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。
　　如果把图(c)的抑制磁场干扰衰减能力定为0 dB，当图(a)、(b)、(c)的信号源内阻RS都为100Ω，负载电阻RL都为1 MΩ，信号源频率在50 kHz（高于该电缆屏蔽体截频的5倍）时，根据国外专家实验测定，图(a)具有80 dB的衰减，即抑制磁场干扰能力很强。而图(b)具有27 dB的磁场干扰抑制能力。 图(a)的单端接地方式抗干扰能力最好。其接地点的选择可以是图(a)中的情况，也可以选择负载电阻RL侧接地，而让信号源浮置。

图2　屏蔽线的用法

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。

图3　双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力

　　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。
　　然而，工业控制系统接地的含义不一定就是接大地。例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位。它可以悬浮，但要求与大地严格绝缘。通常，其绝缘电阻要达到50 MΩ以上。直流地悬浮隔离了交流地网的干扰，经济简便，工程中经常使用。直流地悬浮的缺点是机器容易带静电，如果该静电电位过高，会损坏器件，击伤操作人员等等；而且，如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小，可能会产生很多原先没有想到的干扰。直流地接大地，按照国家标准，要埋设一个不大于4 Ω的独立接地体。但无论直流地悬浮或者接大地，直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系。工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接地是否合理，不只是形成相互耦合干扰的问题，有时还危及计算机系统的安全。
　　在实际的工业控制系统中，各种通道的信号频率大多在1 MHz内， 属于低频范围。因此，本文只涉及低频范围的接地讨论。　　

2.1　串联接地和并联接地

　　在图4(a) 所示意的串联接地方式中，电路1、2、3各有一个电流i1、i2、i3流向接地点。由于地线存在电阻，因此，A、B、C点的电位不再是零， 于是各个电路间相互发生干扰。尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路。如果必须要这样使用，应当尽力减小公共地线的阻抗，使其能达到系统的抗干扰容限要求。串联的次序是，最怕干扰的电路的地接A点，而最不怕干扰的电路的地应当接C点。但工业控制机中的模拟通道和数字通道不能这样串联接地。应当按照图4(b)所示意的并联接地方式使用。并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰。因此，有效地克服了公共地线阻抗的耦合干扰问题，工业控制机应当尽量采用并联接地方式。值得注意的是，虽然采用了并联接地方式，但是地线仍然要粗一些，以使各个电路部件之间的地电位差尽量减小。这样，当各个部件之间有信号传送时，地线环流干扰将减小。

图4　电路部件的一点接地(a)串联接地方式(b)并联接地方式

2.2　一个实际的信号采集系统接地方案

　　一个实际的信号采集系统接地示意图如图5所示。 多个模拟输入信号采用屏蔽双绞线接至工控数据采集处理机。所有模拟信号源都浮置，这对于多数工业变送器（传感器）来说，都能够满足这个要求。模拟输入信号采用一点接地，接地点选在微处理机的模入接口的模拟地GA上。屏蔽层也采用一点接地，接在模拟地上。这与图3(c)的用法相同。这种用法靠双绞线抑制磁场耦合干扰，屏蔽层屏蔽电场干扰。虽然抑制dB数不算高，但它不会引入其它噪声，可靠性较好，不论在什么现场环境都可用。所有的模拟电路的地线并联于GA点，然后用一根具有绝缘皮的低阻抗导线，将模拟地连接到专为工控机埋设的独立接地体的线鼻上。工控数据采集处理机的数字地也应并联于一点GD，仍然用一根具有绝缘皮的低阻抗导线，将数字地GD连接到专为工控机埋设的独立接地体的线鼻上。工控机的外设地线也应并联于该独立接地体的线鼻上。对于一般的工业现场，外设的保护地线、工控机柜、传感器柜、执行器柜等的保护地线都可以并联到该独立接地体的线鼻上。但是要求高的项目应当埋设专门的独立的安全保护地线，并把设备和机柜的保护地线并联地接于那里。国家标准规定，计算机的安全保护地线接地电阻不应大于4 Ω。严禁使用建筑物的
避雷地作工业控制系统的任何地线使用。

图5　一个实际的信号采集系统接地示意图

如果把图5的计算机采集系统直流地悬浮运行，那么它的的模拟地、 数字地仍然要用低阻抗导线短接，只是不接大地就行了。目前的工控机厂商提供的大部分产品都没有模拟地和数字地的接大地端子，它们的模拟地和数字地已在电路板上妥善短接。用户最简单的应用就是搞浮地运行。这对于使用标准变送器，检测标准模拟信号是没有大问题的。