工控系统的接地抗干扰技术

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。

    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

    NEC第100节对“接地”一词定义如下：电气回路或设备与大地，或与代替大地的导体之间的导电的连接，它可以是有意的连接，也可以是无意的连接。接地可起如下作用： ① 提供设备与近旁金属物体间的低阻抗连接，以减少人身电击危险。 ② 给接地故障电流提供返回电源的低阻抗通路，使熔断器或断路器得以动作。 ③ 给雷电感应电流提供低阻抗的对地泄放通路。 ④ 给静电电荷提供对地泄放通路，以防产生电火花或电弧。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１MHz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。

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。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。

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