电磁兼容技术在选矿自动化仪表中的应用

王诗然，赵 宇，赵建军

（北京矿冶研究总院 矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京102600）

BOXA 型载流X荧光分析仪由探头控制器和多路器控制器（以下简称控制器）进行电气控制，保证分析仪各项功能的实现。在选矿生产过程中，工艺流程具有复杂性、多参数性和多参数变化性［1］，生产过程中需要根据矿浆品位的变化调整工艺参数，因此品位数据采集的实时性对应减小工艺参数调整的滞后性至关重要［2］。分析仪对金属品位快速、实时的分析，可以帮助选厂监测工艺波动从而及时做出调整，以保证回收率，不间断取样和分析，节省了化验和取样成本，并且高精度的分析结果可以取代传统的实验室手工化验过程，同时控制选矿质量，将波动最小化，优化选矿操作，以最低的负荷获得最大矿石处理量。BOXA型载流X荧光分析仪主机柜如图1所示。

图1 BOXA型载流X荧光分析仪主机柜

此外，控制器还负责BOXA型载流X荧光分析仪的安全，X射线管的电源没有关闭的情况下，是无法通过人机界面打开启样品盒的。如果样品盒的任何一个传感器检测到探头盖打开，控制器会关闭X射线管电源［3］。所以，控制器是BOXA型载流X荧光分析仪的核心部件。

选矿厂内各种大型设备同时运行，耗电量巨大，各种电磁骚扰充斥周围环境，必然会对控制器产生影响。因此，必须改善设备在电磁环境中的适应能力以使其更好地工作，也就要求对相应的电磁兼容性设计提出更可靠的解决方案，从而最大限度地抑制和消除空间中的电磁干扰。

1 电磁环境分析

选冶工艺过程中常见的电磁兼容问题有以下几类：①大型设备导致的电子设备误动作或精度降低；②浪涌（冲击）导致电子设备受影响；③静电放电（ESD）干扰电子设备；④电快速瞬变脉冲群干扰电子设备；⑤射频传导干扰电子设备。

1．1 大型设备导致的电子设备误动作或精度降低

现场有大功率的电力电子设备，如变频器、直流电机等，当这些设备工作时，导致周围的电子设备受到干扰，现象包括PLC、数控设备等出现误动作，仪表测量精度降低，计算机显示屏有干扰等等，有时还会导致配电系统故障。

1．2 浪涌（冲击）导致电子设备受影响

1）电网上的浪涌电压导致电子设备误动作。选厂内部的电网上浪涌电压很多，主要是由大型负载的通断产生。这种浪涌电压一般不会造成电子设备的硬件损坏，但是足以导致系统出现数据错误。

2）浪涌电压导致电子设备硬件损坏。典型现象是电子设备的硬件频繁损坏，但是并没有出现过雷雨天气。这说明选厂内部有较多浪涌发生源。浪涌电压会造成设备软损伤，即受到浪涌冲击当时没有表现出故障，而是寿命缩短，在某一个条件下突然失效。

3）雷电天气电子设备硬件损坏。雷电天气，电子设备被损坏的现象十分常见。雷电产生的浪涌骚扰不仅会导致设备直接损坏，还会造成设备软损伤。由于雷电是十分常见的自然现象，电子设备在这种环境中不能生存，即属电磁兼容问题。

1．3 静电放电（ESD）干扰电子设备

操作员在正常的设备操作中可能因衣服或皮肤带有的静电电荷而使机器运行紊乱，甚至损害硬件设备。

1．4 电快速瞬变脉冲群干扰电子设备

电感性负载（继电器触点跳动、高压开关装置的切换）断开／接通时，在开关处产生一连串的暂态脉冲群骚扰。当负载多次重复开关时，脉冲群会以相应的时间间隙多次重复出现。

1．5 射频传导干扰电子设备

常见的射频连续波辐射来自手持无线电收发机、无线电广播、无线电测控设备等。这些设备对外辐射是其工作的一部分，且能量较大。一些设备正常工作时，内部使用高频／射频信号，如开关电源、智能控制设备，这些信号也会通过机壳或各类接口线向外泄漏。

选厂内除上述几种电磁兼容问题外，还包括高压隔离开关或断路器在线路上引起的含多种频率分量的衰减振荡波、系统短路故障产生的电磁骚扰、大电流注入地网造成的干扰等［4］。

2 电磁兼容性（EMC）简介

2．1 什么是电磁兼容

设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态［5］。即该设备不会由于受到同一电磁环境中其他设备的电磁发射而导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。

2．2 电磁兼容三要素

无论是简单装置还是复杂的系统，形成电磁干扰必须具备三个基本要素，即电磁干扰源、耦合路径、敏感设备［6］。干扰源是发射电磁能量的装置，耦合路径就是载有电磁能量的媒质，而敏感设备即容易受电磁能量干扰的装置。如果去除其中之一，干扰将不会发生。在进行产品的电磁兼容性设计时，就是要考虑这三方面，找到产生骚扰的根源，简单有效地消除干扰，保证产品稳定运行。

2．3 电磁兼容设计方法

2．3．1 滤波

滤波的网络是由分布或集中参数的电感、电容和电阻共同组成，对信号的频率进行判断，提取有用信号的频率分量，防止干扰频率通过，使电磁干扰降低到能够接受的程度。防止和降低电磁干扰的主要措施是使用滤波器。BOXA型载流X荧光分析仪的控制器内设有滤波电路进行保护。

2．3．2 屏蔽

所谓屏蔽，就是使用导磁或导电材料来制作壳、屏等设备，将电磁能的范围限制在一定区域之内，用屏蔽体来削弱场的能量，最终防止电磁干扰。有三种屏蔽方法：磁屏蔽、电屏蔽和电磁屏蔽。BOXA型载流X荧光分析仪的控制器外壳为金属材质，可防止静电放电和周围环境的电磁空间辐射。

2．3．3 接地

在系统中的一个接地面与选定点之间建立小电阻的导电通路与地面相接，由于系统中各个元件处于零电位并相互连通，就建立了一个地面参考点，没有电流通过就没有电压降，所以通过接地设备将干扰电流导入大地，减少干扰源传播的能量。BOXA型载流X荧光分析仪控制器的金属外壳和电路板都良好接地。

对于一般产品的电磁兼容设计，可以单独或组合多个方法进行设计，保证能使产品通过EMC测试，稳定可靠运行。

3 EMC测试与整改

由于电磁兼容的复杂性，即使对一个电磁兼容设计问题考虑得比较周全的产品，在投入运行的过程中，也难免因现场产生的电磁干扰因素，造成设备故障。对此类产品存在的电磁兼容问题，只能采取“出现什么问题，解决什么问题”的解决方法，以对产品进行最小改动使其达到电磁兼容要求，也就属于电磁兼容整改的范畴［6］。

本文所研究的产品为载流X荧光分析仪的控制器，该控制器在现场遇到的电磁兼容问题是运行期间偶尔通讯中断，重新启动后可恢复正常工作状态。根据现场情况，可能引起故障的骚扰源为浪涌电压、电快速脉冲群、传导辐射和静电放电，可以推断干扰信号主要通过电源端和通讯线进入控制器内部，因而在实验室进行相应的EMC试验模拟此现象，方便进一步整改。

3．1 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

根据标准IEC 61000－4－4，测试内容为控制器（被测设备）的电源端口和信号线，测试电压为±2000V，重复频率5kHz，重复时间300ms，测试时间1000ms。测试结果未见敏感，全部通过，符合工业3级（A）要求。证明骚扰源为电快速瞬变脉冲群的可能性较小。

3．2 静电放电抗扰度试验

根据标准IEC 61000－4－2，测试内容为控制器的金属外壳、外壳和串口螺钉，测试电压为±8000V（空气放电）和±6000V（接触放电），放电次数10次。测试结果未见敏感，全部通过，符合工业3级（A）要求。证明骚扰源为静电放电的可能性较小。

3．3 射频场感应传导抗扰度试验

根据标准IEC 61000－4－6，测试内容为控制器的电源线和通讯线，测试电压为10V／m，频率范围150KHZ－80MHz，测试时间1000ms。测试结果未见敏感，全部通过，符合工业3级（A）要求。证明骚扰源为射频场感应传导的可能性较小。

3．4 浪涌（冲击）抗扰度试验

根据标准IEC 61000－4－5，测试内容为控制器的电源线和通讯线，测试电压为±1000V，差模注入，重复时间1000ms，测试时间600s。结果显示电源线测试中控制器故障，未通过，其他部分未见敏感。证明骚扰源可能为浪涌（冲击）信号。

3．5 控制器的整改

进行1000V正极性试验中，电源断电，通讯故障，重新上电后，通讯仍中断，无法恢复到正常工作状态。证明浪涌测试中硬件损坏。经过测试，故障点定位在电源模块。更换电源模块后，控制器正常运行，且通讯无误。说明浪涌电压的注入导致电源模块损毁。

浪涌的影响是一个逐渐累积的过程，测试发现，部分控制器在第一次试验时可安全通过，但是第二次试验中会突然通讯中断或者电源损坏。这是因为设备中元器件遭受浪涌损坏的程度，取决于该部件的绝缘水平及受冲击的强度［7］。

浪涌（冲击）的最大特点是能量大，所以采用普通的滤波方案基本无效，必须使用气体放电管、压敏电阻等专门的抑制器件。浪涌抑制器件基本的使用方法是直接与被保护电路并联，以便对超过设备承受能力的浪涌电压进行吸收或能量转移。本文选用了北京爱科创业电子技术有限公司的B010－3PC型号浪涌滤波器，工作原理是其阻抗在有浪涌电压出现与没有浪涌电压时不同。正常情况下阻抗很高，对电路工作没有影响，当有很高的浪涌电压加在其上时，阻抗变得很低，能将浪涌能量旁路掉。

如图2所示，再进行IEC 61000－4－5浪涌抗扰度试验，多次测试结果显示，控制器可顺利通过，未见敏感现象。

以上实验证明整改措施有效，可根据实际情况进行添加。

图2 加入浪涌滤波器后试验设备布置图

4 结 语

整改措施未对控制器内部结构进行任何改动，只是在外部加入保护器件。通过试验可以发现，控制器对浪涌冲击的抵抗能力大大提高。经过广西盘龙选矿厂6个月的实际考察，使用整改控制器的BOXA型载流X荧光分析仪可连续安全运行，未出现任何因电磁干扰造成的故障现象。也就是说对于选矿厂周围的电磁骚扰，特别是浪涌电压，控制器有足够的防御能力，进而保证BOXA型载流X荧光分析仪的稳定运行，使其能够控制选矿质量，将波动最小化。

本文以BOXA型载流X荧光分析仪的控制器为例，就电子产品在选矿自动化生产过程中遇到的电磁兼容问题进行了分析。通过EMC试验模拟了控制器在现场遇到的干扰现象，根据浪涌侵入产品的途径和破坏机理，找到相应对策，完成设备的整改，以提高产品的浪涌（冲击）抵抗能力。只有保证控制器的电磁可靠性，才能实现分析仪的优化选矿操作，以最低的负荷获得最大矿石处理量，安全有效的指导生产。也为同类产品在选矿自动控制中的电磁防护设计提供参考，以保证设备的安全可靠运行。

［1］ 赵建军，曾荣杰．载流X荧光品位分析仪的研究与应用现状［C］／／2009年全国选矿学术会议，2009．

［2］ 李鹏程，赵建军，赵宇，等．BOXA品位分析仪管理站软件开发［J］．有色金属工程，2014，4（5）：72－74．

［3］ 李杰，周俊武，徐宁，等．载流X荧光分析仪探头测量与控制模块的开发［C］／／2010＇中国矿业科技大会论文集，2010．．

［4］ 陈新波，孙金立，袁英民，等．综合式无损检测系统的电磁兼容设 计 ［J］．China Academic Journal Electronic Publishing House，2007，29（10）：571－573．

［5］ 朱文立．电磁兼容设计与整改对策［M］．北京：电子工业出版社，2012．

［6］ Mark I．Montrose．电磁兼容的印制电路板设计［M］．北京：机械工业出版社，2008．

［7］ 王旭，刘志杰．电力系统自动化设备的电磁兼容技术［J］．科技传播，2013，5（2）：158－159．