成套控制设备和自动化系统的电磁噪声抑制技术贺大伟王东英卢锡凡河南省机械设计研究院为了对工业生产过程进行操作和控制，把各种传感器和控制装置组装成一个有机整体，用其完成特定任务，此有机整体称为成套控制设备。当用于工业生产过程的自动控制时，成套控制设备便构成自动化系统。在这个领域中，广泛使用电子控制装置，尤其是计算机控制装置已成为现代化成套控制设备的核心。现在，成套控制设备和自动化系统的电磁兼容性( E M C ) 问题是生产厂和用户都十分重视的问题之一。在成套的电气设备中有多种强电设备，它们工作时干扰很强，而弱电控制装置和传感器等则处在这些干扰的包围中，同时还受供电电源、其他干扰源以及辐射等多种干扰的影响，所以电磁环境比任何单一装置所处的环境复杂得多。另一方面，生产自动化程度日益提高，控制功能更加完善，而控制功率却一再降低，这一切使成套控制设备的工作可靠性对整个生产过程的影响越来越大。长期实践证明，如果对成套控制设备的电磁兼容性缺少统一考虑，即使各单件装置有极好的技术性能，装到生产现场试车时，也往往会出现这种或鄢种干扰故障，严重者甚至损坏设备。大多数情况下，虽然也能通过各种补救措施消除干扰故障，但造成了时间、人力和物力的损失，对生产的影响也是难以弥补的。成套控制设备的一次试车成功和迅速投入生产是检验该设备电磁兼容性设计是否完善的客观标准。应该从组织和设计阶段开始，便考虑电磁兼容性要求，采取必要的和备用的措施，使整套控制设备能以较少的代价在生产现场的电磁环境中稳定工作，最低限度也应该做到出现故障后能迅速找出原因，并及时地采取备用措施排除故障。这是最经济有效的途径。从控制设备的设计、制造、运行过程和与外界的关系来看，成套控制设备的电磁兼容性可分成装置内部的电磁兼容性和成套设备与环境的电磁兼容性两个方面。( 1 ) 装置内部的电磁兼容性组成成套控制设备的各个电子控制单元和装置等的内部元器件和部件之间存在着互相干扰，例如，模拟电路中的功率放大级通过电源公共内阻或公共零线对前置放大级发生干扰，高速数字电路中存在着串扰和反射。控制装置的类型不同，其内部的互相干扰也不一样，必须针对具体的干扰特点，分别用不同的方法加以解决。2 0 通常，在各单元，各装置的设计阶段应该考虑到各种内部干扰和采取相应的抑制措施，可是在试验或出厂调试时仍会发现问题，这时要通过调整结构、参数等予以排除。若在制造厂把各单元产品按实际现场条件联成系统并进行试验，不仅花费巨大，而且有时也是办不到的，所以单元产品的单独检验，可以说只能解决装置内部的电磁兼容性问题。( 2 ) 成套设备与环境的电磁兼容性在试验室和出厂检验中能够正常工作的电子装置组成系统后未必能完全适应生产现场的电磁环境。由于各单元装置组成系统后相互之间的干扰和生产现场等外界影响，成套设备在试车或运行时出现干扰故障往往是不可避免的，有时还相当严重。研究和解决工业成套电子控制设备在生产现场所受的干扰和抑制措施是成套设备与环境的电磁兼容性问题，是十分必要的。造成成套控制设备不能适应生产现场电磁环境的主要因素有两个，一是缺乏单元装置对外界电磁干扰的科学的敏感度量值，所以制造厂无法使其设计的产品与外界电磁环境相匹配，二是对生产现场的电磁环境缺少定量的描述，一般情况下。对生产现场的电磁环境不能采取有效的控制措施。在国外，当开始广泛使用电子控制装置时，就注意到使用现场的电磁环境与电子设备的干扰故障情况有密切关系，于是提出必须由设备制造、现场施工、使用维护等三个方面共同努力，都采取一定的措施才能使成套控制设备具有满意的电磁兼容性。( 3 ) 电磁兼容性评价方法概述为使成套控制设备和自动化系统既经济又有效地适应生产现场的电磁环境，就必须定量地掌握电磁环境。成套控制设备中有多种导线，如向各控制装置供电的各种电源线；传递过程信息和进行过程控制用的遍布在各控制装置之间及装置与现场设备之间的大量信号线和控制线；相当数量的多种接地线等。这些导线都能把外界干扰传导到控制设备各装置的接1 ：3 部位。与此同时，控制设备工作时也通过电源线和控制线等向外发送干扰。控制设备的壳体、线路和电缆等受到周围空间的辐射电磁场干扰，与此同时，控制设备工作时也通过所用器件和线路等向外辐射电磁场。成套控制设备的接地网大多比较复杂，接地往往也是引入传导性干扰的主要途径之一。根据成套控制设备与外界的上述多方面的电磁联系，可从下述几个主要方面对设备进行评价。- 2 】电源和滤波：一般说，所用电源的传导干扰是其频率的函数，频率特性为uJ 。具体控制装置的电源传导敏感度也用频率特性表示，即U2 。为保证控制装置在电源干扰下不发生故障，必须满足下面的不等式：u e ( f ) o “ 1 ( ) 十A( 1 )式中A - 一一抗传导干扰安全裕量，取6 “ - - 8 d B 。如果不满足上述条件，则应附加线路滤波器。所要求的滤波衰减系数K ( 厂) 也以d B表示，即：鼠( 厂) 阢( f ) - - U 2 ( f ) 十A( 2 )应根据来选择或设计适宜的线路滤波器，或者改进该装置的电源部件。线路滤波器的滤波频率范围上限为3 6 M H z ，下限若考虑抑制无线电干扰时为1 0 k H z ，否则应为1 5 0 k H z 。下限频率的高低对线路滤波器体积的大小有直接影响。信号线传导干扰的抑制：设现场环境中信号线受到的干扰为( f ) ，各装置接口的传导敏感度为U e ( f ) ，则同样可以进行评价。一般情况下，奶( ) U t ( f ) ，则必须采取抑制措施。对于不对称干扰，要采用减少耦含和降低接口敏感度的方法来满足下面不等式：毖( 厂) 奶( 厂) 一U a ( ，) 十么 式中K E ( f 卜电缆耦合衰减系数，取决于电缆型式和敷设方式。对于侵入信号线的对称干扰，除采用减少耦合和降低接口敏感度的措施外，尚能通过输入端滤波或软件手段抑制其影响。对信号线向外发送的干扰量一般不做考虑，但是对控制线，尤其是操作感性负载的控制线，如继电器、电磁阀等能发出强烈的噪声，必须设法抑制，并且要通过合理的电缆敷设方式来减少控制线对信号线的影响。电磁屏蔽：设控制装置所处的辐射电磁场的干扰场强为E l ( f ) ，控制装置的辐射敏感度为E 2 ( f ) ，则应满足下面不等式：E 2 矿) E t ( 厂) 十B式中B 抗辐射干扰安全裕量。由于辐射干扰问题较复杂，抗辐射干扰安全裕量B 应该比抗传导干扰安全裕量A稍大。如果不满足上述条件，则应改善屏蔽结构或增加屏蔽措施。所要求的电磁屏蔽量局为昂( 7 ) = E t ( f ) 一以) 十B2 2 根据场的大小来决定是采用改善屏蔽结构，还是增加某种屏蔽措施。对控制装置工作时发出的辐射干扰，也可以按照无线电干扰等标准，估算出所需的附加电磁屏蔽量。合理的接地系统：成套控制设备中的控制装置众多，布置分散，它们的接地导线常形成一个接地网。正确的接地能够消除很多干扰，是提高电子控制设备及系统抗干扰能力的重要手段之一。由于实际控制设备的工作条件各种各样，复杂程度无法确定，所以对接地系统效果的好坏和干扰量还没有相应的估算方法。现阶段大多凭实践和积累的经验，总结出若干基本原则，供各种设备和系统结合各自使用条件参考利用，有些接地系统还把调试和现场更改的需要等情况考虑在内。对于计算机控制设备的电磁兼容性评价，还要增加防静电放电干扰的措施。总之，若想使成套控制设备能最经济又最有效地适应生产现场的电磁环境，必须定量地掌握环境的各种影响因素。然而定量描述具体的电磁环境决非易事，对许多现象目前尚缺乏定量描述的方法，所以还没建立起完整的体系，有待今后继续研究解决。对成套控制设备和其所处电磁环境采取了相互协调的多种措施，许多庞大复杂的成套控制设备或自动化系统实现了从试车开始便能无干扰故障地长期稳定运行，收到良好的经济效益。这充分证明，电磁兼容性设计是成套控制设备和自动化系统的一项重要技术。2 3