抗干扰的接地处理及屏蔽处理

抗干扰的接地处理及屏蔽处理
抗干扰接地处理的主要内容：（1）避开地环电流的干扰；（2）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。

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４Ω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１MHz内，属于低频范围。

因此，谈谈低频范围的接地。

1. 串联接地
在串联接地方式中，各电路各有一个电流i1、i2、i3等流向接地点。

由于地线存在电阻，因此，每个串联接点的电位不再是零，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应最接近公共地，而最不怕干扰的电路的地可以稍远离公共地。

2. 并联接地
并联接地方式：在工业控制机中的模拟通道和数字通道采用并联接地。

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。

工业现场的干扰来源是多渠道的，针对不同的项目和不同的现场，应该有不同的处理方法。

屏蔽和接地是由工控系统开发者操作的一项技术内容。

能否正确设计和利用它们，不仅关系到系统安全稳定地运行、良好地抑制干扰，而且是工控项目开发者是否成熟的重要标志。

工控系统的屏蔽处理
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甚至更多的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。

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。

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，不同的接地点之间会有电位差。

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。

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：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。

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。

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：
VN=jωBAcosθ(3) ，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。

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。

3. 屏蔽线的使用
屏蔽线的接地有三种情况，即：单端接地方式、两端接地方式、屏蔽层悬浮。

（1）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。

（2）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单端接地方式差。

单端接地方式
与两端接地方式都有屏蔽电场耦合干扰作用。

（3）屏蔽层悬浮：只有屏蔽电场耦合干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。

4 . 双绞线的使用
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。

根据国外专家的实验测定，屏蔽层接地方法不同对磁场干扰的抑制dB数也不同。

（1）单端接地方式，对磁场干扰具有高达55dB的衰减能力。

可见，双绞线确实有很好的效果。

（2）两端接地方式，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，只有13dB的磁场干扰衰减能力。

（3）使用屏蔽双绞线，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。

与单端接地方式一样衰减55dB。

（4）屏蔽层单端接地，而另一端又与负载冷端相连，因此它具有两端接地方式的效果，但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分流，又比两端接地方式稍差。

具有77dB的衰减。

（5）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63dB的衰减。

（6）屏蔽层和双绞线都两端接地，其效果具有28dB 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。