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摘 要：在工业现场使用电子控制装置中，为了提高一个电子控制装置的抗干扰能力，应该以装置的电流配置、信号的输入与输出电路的结构、信号线的选择与敷设、线路板的绘制及装置的屏蔽方法等各方面综合考虑。文章分析了在使用电子控制装置中常见的几种干抚信号的特性，并介绍了几种常用的干扰抑制措施。
关键词：电子；自动化；干扰；抑制；电子控制装置
一、干扰的定义及分类
在工业控制现场中分布着各种各样的杂散电磁信号，它们的频率可以从直流至1 000 MHz甚至更。，噪声是绝对的，它的产生和存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关，干扰信号是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定的数值，并且和有用信号一起进入电子控制装置，并影响装置正常工作时，称这类噪声为干扰。干扰在一定的条件下可以消除，而噪聲一般只能减弱而不能消除，干扰的分类方法有很多种，按其产生和传播的方式可分为下述6种：
1．静电干扰
静电干扰实际上是电场通过电容器或分布电容耦合到受扰装置而形成的干扰，例如：流过较大电流的动力线周围存在着较强的电场，这个电场可以通过该动力线和周围的电路之问存在的分布电容向其周围的电路施加干扰，而且电场强度越大，受扰电路与该动力线距离越近，以及它们之间平行走线的距离越长，这种由动力线施加在受扰电路中的静电干扰越强，
2．磁场耦合干扰
它是一种感受式干扰，主要是由靠近电子装置的流过较强电流的线路周围的变化电磁场对电子装置回路耦合所形成的干扰，如：动力线、变压器、交流电动机、交流接触器、电磁铁等产生磁场的器件周围都存在着较强的交变电磁场，这种交变电磁场会使其附近的电子线路产生感生电动势和感生电流，从而形成干扰，
3．电磁辐射干扰
由空间电磁波被电子装置接收而形成的干扰称电磁辐射干扰，例如：高频感应加热炉和可控硅中频炉及各种有触点电器所产生的电火花、电弧都会产生辐射电磁波，当它们附近的电子装置所接收到的电磁波达到一定强度时，就可能形成电磁辐射干扰，
4．共阻抗干扰
由于电子控制装置中各个电子回路间的公共导线存在着电阻和电感，当一个回路的电流流过这段公共导线时，会在导线上产生电压降落，这一阻抗压降耦合到其它电子回路中就形成了共阻抗干扰，如图1所示，其中L1 ，L2，，R1 ，R2 均为每段导线的等效电感和电阻，当流过电子回路Ⅰ的电流i：发生变化时，就会使L1 ，R1 上的阻抗压降发生变化，这样就可能将回路Ⅱ产生的干扰信号通过公共阻抗引入回路I，同样，回路I也能对回路Ⅱ施加共阻抗干扰，对于电路状态瞬变情况及高频电路，这种干扰更加明显。
图1 共阻抗干扰电路示意图
5．漏电耦合干扰
该干扰是指由于控制装置内部与内部或内部与外部本不应该有电气联系的部分之间的电气绝缘性能下降而造成各部分之间有漏电流而形成的干扰，例如：工作在空气湿度较大场合下的控制装置，由于装置内部器件工作时的发热可能会在器件上凝结露水，这样便造成器件内部与外部各导线之间的绝缘电阻下降而产生漏电耦合干扰。漏电耦台干扰一般发生在工作环境恶劣的条件下。
6．电网干扰
一般电子控制装置的工作电源是通过从电网获得的交流电经变换处理得到的，接在电网上的一些用电设备在工作时可能对电网施加干扰，使电网电压含有干扰信号，例如：切断大感性负载所产生的浪涌过压会叠加到电网电压上；启动大的用电设备会造成短时间内电网电压下降；大功率可控硅的触发导通会使电网电压波形畸变；电力传输线会接收各种高频辐射干扰信号，从而使电网上含有各种高频干扰信号可以通过电子控制装置的电源变压器初、次级间的寄生电容耦合到次级，这样就可能使电子装置的工作电源含有各种频率的干扰信号而影响装置工作。
二、干扰的抑制
所谓干扰的抑制就是针对不同类型的干扰信号采取不同的措施来减小或消除干扰对控制装置的影响，抑制干扰的措施有时还受到控制装置本身结构及工作特点的限制，例如：微机控制装置的抗干扰措施通常既有硬件方面的又有软件方面的，而普通的数字及模拟控制装置则只能采用硬件方面的抗干扰措施。下面从硬件方面给出常见干扰的基本抑制措施。
1．静电干扰的抑制——静电屏蔽口
由静电学理论可知，处于静电平衡状态下的导体内部各点等电位，导体内部没有场，利用金属导体的这一特点，并采取必要的接地措施就可以在金属导体处隔断电力线起到静电屏蔽的怍用。例如：某一导体上带有正电荷Q，导体上的电力线如图2所示；若在外围用一金属体将导体封闭起来，则Z及Y上的电力线分布如图3所示；若将Y接地后电力线如图4所示，也就是说，Z所发出的电力线被Y屏蔽在Y的内侧空间了，即Z就不会以静电干扰的形式干扰其它部件了，当然，也可以将被保护装置屏蔽起来并将屏蔽体接地，这样也可以保护被屏蔽装置不受外来电场的干扰，在屏蔽静电干扰源有困难的情况下常用这种办法来保护控制装置不受静电干扰源的影响，如对传输信号线中静电干扰的抑制常用金属屏蔽线，并将屏蔽层接地来实现。
图2 正电荷导体电力线分布
图3 正电荷导体加金属屏蔽时的电力线分 图4正电荷导体加金属屏蔽且接地时电力线分布
2．磁场耦合干扰的抑制—— 磁屏蔽
由于工业生产设备中有许多是能够产生强磁场的，它们可以通过磁场对其附近的控制装置施加干扰，磁场耦合干扰也属于近场干扰，对于这种干扰可以在干扰源或被保护体外围用高导磁材料做一屏蔽体使屏蔽体内部磁通不会向外部辐射，外部磁通也不能进入屏蔽体内部，此时磁力线如图5、6所示。对于较长的信号传输线来说，这种磁屏蔽方法显然是不切实际的。实际上为了克服磁场耦合在信号线上形成干扰，通常将信号线选为双绞线，当外部磁场作用于双绞线上时，双绞线上相邻两节距的感生电流之和为零，如图7所示，图中i为磁场在双绞线上产生的感生电流，这样就可以抑制磁场施加在信号线上的干扰了，
图5 屏蔽体内部磁通不向井辐射的磁场分布图6 屏蔽体外部磁通不向内辐射的磁场分布
图7外部磁场作用于双绞线上时其感生电流的分布
3．电磁辐射干扰的抑制—— 电磁屏蔽口
由于交变电磁场的频率越高，辐射越强，所以电磁辐射干扰主要是由高频电磁场产生的，在电磁屏蔽中利用电阻率低的金属材料如铜、铝等做成屏蔽层，利用高频电磁场对金属屏蔽层的作用，在屏蔽层内产生涡流，由涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的作用，这样就达到了电磁屏蔽的效果，若将金属屏蔽层接地，该屏蔽就具有电磁屏蔽和静电屏蔽的作用，被屏蔽的物体可以是于扰源，也可以是被保护对象，
4．共阻抗干扰的抑制
从原理上讲，不同电子回路同所有的公共线路上都可能发生共阻抗干扰，但是常见的是电源共阻抗干扰和公共地线共阻抗干扰，处理这类问题的主要方法是：选用高质量的电潦并加太电源的功率容限，以获得较小的电源内阻；将模拟电路和数字电路的电源线与地线分开设置，各自直接接到相应的电源输出端上，这样可 减小模拟电路和数字电路之同的共阻抗干扰；使电源线和地线的截面积尽量选大一些，长度尽量短，这样可以减小电源线及地线的阻抗，也就可以减小由公共电源线和地线所带来的各回路之间的共阻抗干扰；多电源供电的装置若存在公共地线，则公共地线的截面积也应加大并且长度尽量短以减小由公共地线阻抗带来的共阻抗干扰；若控制装置的工作地和安全地接在一起，则必须保证足够小的接地电阻，以减小由强电设备带来的共阻抗干扰。
5．漏电耦合干扰的抑制
由于揖电耦台干扰主要是由于绝缘电阻下降导致漏电而引起的，所以定期检查控制装置，清洁装置内部电路及信号线上的灰尘和杂物，使装置及信号线等设施有一个良好的工作环境，在设计时应使信号线之间留有足够的距离，特别是高电压太电流线路与小信号线路之间的距离更应足够大，并且還应采取适当屏蔽措施都将有益于提高装置抗蒲电耦合干扰的能力，
6．电网干扰的抑制
对于电网电压中的浪涌过压成份可以选用适当压敏电阻加以吸收；对于电网电压中的高额干扰成份可以采取在装置电源变压器的两侧和整流电路上以及整流以后的电路上加高频滤波来抑制，采用l：l隔离变压器并将隔离层良好接地也有利于抑制电网中的高额干扰；对于电网中低频干扰的抑制措施可以通过使用直流稳压电菇并采用直流退耦电路来实现，另外，使用交流稳压电源也会提高电路抗电网所有干扰的能力，因此，一个完整的控制装置电源配置应如图8所示，但是在实际应用中为了减小电源的体积、重量，降低成本，往往只是有针对性地选用图8中的某些措施来实现对电网干扰的抑制，但是，即使采取了上述所有提高控制装置抗干扰能力的措施，也不能绝对保证干扰任何时候都不会进入控制装置，例如：使用铜网屏蔽电缆传递信号，由于铜网密度一般为85 左右，干扰衰减比可达到103：1，但毕竟还有一些强干扰信号可以侵入传输电缆，特别是长距离传送信号时，另外，有时被传递信号在传送以前就已经含有干扰信号的成份，例如现场采集的一些数据信号，对于这类信号使用上述任何抗干扰措施也很难将干扰消除，这就需要根据具体情况采取必要的隔离措施或有针对性地采取滤波措施来消除干扰，电磁屏蔽及静电屏蔽
图8 一十完整的控制装置电嚣的配置方框图
3 小结
从以上所述可看出，对干扰的抑制可归结为两类即：隔离与滤波。隔离的基本思想就是从电路上把干扰源和受扰电路隔离开，使它们不发生电联系或削弱它们之间的电联系，达到干扰信号不能或很难进入受扰对象回路，而有用信号又能顺利通过，且隔离器件大多是利用干扰源的电气性能特点来实现干扰信号隔离的，例如：光电耦合器及光隔离放大器是利用干扰源的信号幅度可能很大但干扰源的等效内阻也很大，不能给受扰回路提供较大电流的特点而制成的，它的输入端是发光二极管结构，它需要一定的电流才会发光实现信号的传递过程，有用信号可以提供足够的电流实现传递，而干扰信号却因无法提供大的电流不能传递到输出边而被抑制掉，另外，光电隔离器输入端和输出端之间的分布电容很小，绝缘电阻很大，所以输出端引入的干扰信号也很难反馈到输人端所在的系统中从而实现了输出与输人之间的隔离；再如继电器的隔离作用是利用继电器的线圈接收控制信号，触点输出信号，这样输入输出之间没有电气联系而实现隔离。
总之，为了提高一个电子控制装置的抗干扰能力，应该以装置的电流配置、信号的输入与输出电路的结构、信号线的选择与敷设、线路板的绘制及装置的屏蔽方法等各方面综合考虑，还要针对现场干扰情况，重点加强装置抗某些干扰的能力，使装置在现场能安全可靠地工作。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：电子；自动化；干扰；抑制；电子控制装置
一、干扰的定义及分类
在工业控制现场中分布着各种各样的杂散电磁信号，它们的频率可以从直流至1 000 MHz甚至更。，噪声是绝对的，它的产生和存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关，干扰信号是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定的数值，并且和有用信号一起进入电子控制装置，并影响装置正常工作时，称这类噪声为干扰。干扰在一定的条件下可以消除，而噪聲一般只能减弱而不能消除，干扰的分类方法有很多种，按其产生和传播的方式可分为下述6种：
1．静电干扰
静电干扰实际上是电场通过电容器或分布电容耦合到受扰装置而形成的干扰，例如：流过较大电流的动力线周围存在着较强的电场，这个电场可以通过该动力线和周围的电路之问存在的分布电容向其周围的电路施加干扰，而且电场强度越大，受扰电路与该动力线距离越近，以及它们之间平行走线的距离越长，这种由动力线施加在受扰电路中的静电干扰越强，
2．磁场耦合干扰
它是一种感受式干扰，主要是由靠近电子装置的流过较强电流的线路周围的变化电磁场对电子装置回路耦合所形成的干扰，如：动力线、变压器、交流电动机、交流接触器、电磁铁等产生磁场的器件周围都存在着较强的交变电磁场，这种交变电磁场会使其附近的电子线路产生感生电动势和感生电流，从而形成干扰，
3．电磁辐射干扰
由空间电磁波被电子装置接收而形成的干扰称电磁辐射干扰，例如：高频感应加热炉和可控硅中频炉及各种有触点电器所产生的电火花、电弧都会产生辐射电磁波，当它们附近的电子装置所接收到的电磁波达到一定强度时，就可能形成电磁辐射干扰，
4．共阻抗干扰
由于电子控制装置中各个电子回路间的公共导线存在着电阻和电感，当一个回路的电流流过这段公共导线时，会在导线上产生电压降落，这一阻抗压降耦合到其它电子回路中就形成了共阻抗干扰，如图1所示，其中L1 ，L2，，R1 ，R2 均为每段导线的等效电感和电阻，当流过电子回路Ⅰ的电流i：发生变化时，就会使L1 ，R1 上的阻抗压降发生变化，这样就可能将回路Ⅱ产生的干扰信号通过公共阻抗引入回路I，同样，回路I也能对回路Ⅱ施加共阻抗干扰，对于电路状态瞬变情况及高频电路，这种干扰更加明显。
图1 共阻抗干扰电路示意图
5．漏电耦合干扰
该干扰是指由于控制装置内部与内部或内部与外部本不应该有电气联系的部分之间的电气绝缘性能下降而造成各部分之间有漏电流而形成的干扰，例如：工作在空气湿度较大场合下的控制装置，由于装置内部器件工作时的发热可能会在器件上凝结露水，这样便造成器件内部与外部各导线之间的绝缘电阻下降而产生漏电耦合干扰。漏电耦台干扰一般发生在工作环境恶劣的条件下。
6．电网干扰
一般电子控制装置的工作电源是通过从电网获得的交流电经变换处理得到的，接在电网上的一些用电设备在工作时可能对电网施加干扰，使电网电压含有干扰信号，例如：切断大感性负载所产生的浪涌过压会叠加到电网电压上；启动大的用电设备会造成短时间内电网电压下降；大功率可控硅的触发导通会使电网电压波形畸变；电力传输线会接收各种高频辐射干扰信号，从而使电网上含有各种高频干扰信号可以通过电子控制装置的电源变压器初、次级间的寄生电容耦合到次级，这样就可能使电子装置的工作电源含有各种频率的干扰信号而影响装置工作。
二、干扰的抑制
所谓干扰的抑制就是针对不同类型的干扰信号采取不同的措施来减小或消除干扰对控制装置的影响，抑制干扰的措施有时还受到控制装置本身结构及工作特点的限制，例如：微机控制装置的抗干扰措施通常既有硬件方面的又有软件方面的，而普通的数字及模拟控制装置则只能采用硬件方面的抗干扰措施。下面从硬件方面给出常见干扰的基本抑制措施。
1．静电干扰的抑制——静电屏蔽口
由静电学理论可知，处于静电平衡状态下的导体内部各点等电位，导体内部没有场，利用金属导体的这一特点，并采取必要的接地措施就可以在金属导体处隔断电力线起到静电屏蔽的怍用。例如：某一导体上带有正电荷Q，导体上的电力线如图2所示；若在外围用一金属体将导体封闭起来，则Z及Y上的电力线分布如图3所示；若将Y接地后电力线如图4所示，也就是说，Z所发出的电力线被Y屏蔽在Y的内侧空间了，即Z就不会以静电干扰的形式干扰其它部件了，当然，也可以将被保护装置屏蔽起来并将屏蔽体接地，这样也可以保护被屏蔽装置不受外来电场的干扰，在屏蔽静电干扰源有困难的情况下常用这种办法来保护控制装置不受静电干扰源的影响，如对传输信号线中静电干扰的抑制常用金属屏蔽线，并将屏蔽层接地来实现。
图2 正电荷导体电力线分布
图3 正电荷导体加金属屏蔽时的电力线分 图4正电荷导体加金属屏蔽且接地时电力线分布
2．磁场耦合干扰的抑制—— 磁屏蔽
由于工业生产设备中有许多是能够产生强磁场的，它们可以通过磁场对其附近的控制装置施加干扰，磁场耦合干扰也属于近场干扰，对于这种干扰可以在干扰源或被保护体外围用高导磁材料做一屏蔽体使屏蔽体内部磁通不会向外部辐射，外部磁通也不能进入屏蔽体内部，此时磁力线如图5、6所示。对于较长的信号传输线来说，这种磁屏蔽方法显然是不切实际的。实际上为了克服磁场耦合在信号线上形成干扰，通常将信号线选为双绞线，当外部磁场作用于双绞线上时，双绞线上相邻两节距的感生电流之和为零，如图7所示，图中i为磁场在双绞线上产生的感生电流，这样就可以抑制磁场施加在信号线上的干扰了，
图5 屏蔽体内部磁通不向井辐射的磁场分布图6 屏蔽体外部磁通不向内辐射的磁场分布
图7外部磁场作用于双绞线上时其感生电流的分布
3．电磁辐射干扰的抑制—— 电磁屏蔽口
由于交变电磁场的频率越高，辐射越强，所以电磁辐射干扰主要是由高频电磁场产生的，在电磁屏蔽中利用电阻率低的金属材料如铜、铝等做成屏蔽层，利用高频电磁场对金属屏蔽层的作用，在屏蔽层内产生涡流，由涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的作用，这样就达到了电磁屏蔽的效果，若将金属屏蔽层接地，该屏蔽就具有电磁屏蔽和静电屏蔽的作用，被屏蔽的物体可以是于扰源，也可以是被保护对象，
4．共阻抗干扰的抑制
从原理上讲，不同电子回路同所有的公共线路上都可能发生共阻抗干扰，但是常见的是电源共阻抗干扰和公共地线共阻抗干扰，处理这类问题的主要方法是：选用高质量的电潦并加太电源的功率容限，以获得较小的电源内阻；将模拟电路和数字电路的电源线与地线分开设置，各自直接接到相应的电源输出端上，这样可 减小模拟电路和数字电路之同的共阻抗干扰；使电源线和地线的截面积尽量选大一些，长度尽量短，这样可以减小电源线及地线的阻抗，也就可以减小由公共电源线和地线所带来的各回路之间的共阻抗干扰；多电源供电的装置若存在公共地线，则公共地线的截面积也应加大并且长度尽量短以减小由公共地线阻抗带来的共阻抗干扰；若控制装置的工作地和安全地接在一起，则必须保证足够小的接地电阻，以减小由强电设备带来的共阻抗干扰。
5．漏电耦合干扰的抑制
由于揖电耦台干扰主要是由于绝缘电阻下降导致漏电而引起的，所以定期检查控制装置，清洁装置内部电路及信号线上的灰尘和杂物，使装置及信号线等设施有一个良好的工作环境，在设计时应使信号线之间留有足够的距离，特别是高电压太电流线路与小信号线路之间的距离更应足够大，并且還应采取适当屏蔽措施都将有益于提高装置抗蒲电耦合干扰的能力，
6．电网干扰的抑制
对于电网电压中的浪涌过压成份可以选用适当压敏电阻加以吸收；对于电网电压中的高额干扰成份可以采取在装置电源变压器的两侧和整流电路上以及整流以后的电路上加高频滤波来抑制，采用l：l隔离变压器并将隔离层良好接地也有利于抑制电网中的高额干扰；对于电网中低频干扰的抑制措施可以通过使用直流稳压电菇并采用直流退耦电路来实现，另外，使用交流稳压电源也会提高电路抗电网所有干扰的能力，因此，一个完整的控制装置电源配置应如图8所示，但是在实际应用中为了减小电源的体积、重量，降低成本，往往只是有针对性地选用图8中的某些措施来实现对电网干扰的抑制，但是，即使采取了上述所有提高控制装置抗干扰能力的措施，也不能绝对保证干扰任何时候都不会进入控制装置，例如：使用铜网屏蔽电缆传递信号，由于铜网密度一般为85 左右，干扰衰减比可达到103：1，但毕竟还有一些强干扰信号可以侵入传输电缆，特别是长距离传送信号时，另外，有时被传递信号在传送以前就已经含有干扰信号的成份，例如现场采集的一些数据信号，对于这类信号使用上述任何抗干扰措施也很难将干扰消除，这就需要根据具体情况采取必要的隔离措施或有针对性地采取滤波措施来消除干扰，电磁屏蔽及静电屏蔽
图8 一十完整的控制装置电嚣的配置方框图
3 小结
从以上所述可看出，对干扰的抑制可归结为两类即：隔离与滤波。隔离的基本思想就是从电路上把干扰源和受扰电路隔离开，使它们不发生电联系或削弱它们之间的电联系，达到干扰信号不能或很难进入受扰对象回路，而有用信号又能顺利通过，且隔离器件大多是利用干扰源的电气性能特点来实现干扰信号隔离的，例如：光电耦合器及光隔离放大器是利用干扰源的信号幅度可能很大但干扰源的等效内阻也很大，不能给受扰回路提供较大电流的特点而制成的，它的输入端是发光二极管结构，它需要一定的电流才会发光实现信号的传递过程，有用信号可以提供足够的电流实现传递，而干扰信号却因无法提供大的电流不能传递到输出边而被抑制掉，另外，光电隔离器输入端和输出端之间的分布电容很小，绝缘电阻很大，所以输出端引入的干扰信号也很难反馈到输人端所在的系统中从而实现了输出与输人之间的隔离；再如继电器的隔离作用是利用继电器的线圈接收控制信号，触点输出信号，这样输入输出之间没有电气联系而实现隔离。
总之，为了提高一个电子控制装置的抗干扰能力，应该以装置的电流配置、信号的输入与输出电路的结构、信号线的选择与敷设、线路板的绘制及装置的屏蔽方法等各方面综合考虑，还要针对现场干扰情况，重点加强装置抗某些干扰的能力，使装置在现场能安全可靠地工作。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看