自动化仪表的电磁兼容分析

彭根深

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

近年来，自动化仪表广泛应用于工农业生产和人们的日常生活，极大推动了社会经济的发展，提高了人们的生活水平。但是，自动化仪表的电磁干扰问题也备受社会各界关注。为了降低电磁干扰对自动化仪表的影响，提高自动化仪表的电磁兼容性，必须采取有效技术措施，提高自动化仪表的抗电磁干扰能力。

1 电磁兼容性概述

1.1 电磁兼容性（EMC）

所谓电磁兼容性，指设备在相同的电磁环境下，可以同时正常发挥各自的功能。即设备运行过程中，不会受到相同电磁环境下其他设备发出的电磁信号的干扰，也不会影响其他设备正常工作[1]。通常情况下，电磁干扰必须具备干扰源、耦合路径以及敏感设备三大要素。其中，干扰源是电磁能量的发射装置，耦合路径是承载电磁能量的介质，受到电磁干扰的设备就是敏感设备。为了提高设备的抗电磁干扰性，电磁兼容性设计过程中，必须找出以上三大要素，采取有效措施，降低电磁干扰对设备的影响，确保设备正常运行。

1.2 电磁兼容设计的要点

第一，滤波。滤波指经过科学计算，将具有一定参数的电感、电容和电阻以一定的方式进行排列，判断分析信号频率，从中提取有效的信号频率分量，隔绝干扰频率的影响，达到降低电磁干扰的目的。滤波器设计过程中，应注意分开设置滤波器的输入和输出线路，尽量缩短滤波器的输出线路，减少其对自动化仪表产生的二次干扰。此外，滤波器选择时，可以通过增加回路的方式，实现多个回路的同时防护。

第二，屏蔽。所谓屏蔽，即在制作自动化仪表的外壳和显示屏的过程中，采用导磁、导电材料，将周围的电磁干扰隔绝在外壳和显示屏外，借助外壳、显示屏的屏蔽作用，削弱电磁干扰的影响。常见的屏蔽设计方法包括磁场屏蔽、电屏蔽以及电磁屏蔽三种。

第三，接地。自动化仪表系统设计过程中，通过与地面导通，实现系统中所有元件零电位的相互连通，共同建立一个地面参考点。一旦系统中出现干扰电流，可利用接地装置将其导入大地中，通过控制电磁干扰的耦合路径，达到降低电磁干扰的目的[2]。

2 常见的电磁干扰环境

2.1 大功率电力电子设备影响

很多自动化仪表都应用于大型工业厂区，而工业生产过程中势必存在大功率的电力电子设备，如直流电机、变频器等。这些设备会在工作时产生巨大的电磁干扰，影响自动化仪表，导致显示屏出现乱码或者误动作，测量精度下降，甚至导致设备的配电系统出现故障。

2.2 浪涌冲击

第一，很多大型负载设备通断过程中，会导致电网出现浪涌电压。这种电压波动虽然不会影响自动化仪表的硬件设备，但是可能会导致设备系统出现紊乱，产生无动作或者数据错误等问题。如果不能采取有效的电磁兼容技术进行防治，势必导致自动化设备出现损伤，缩短其使用寿命，增加后期维护保养成本。

第二，导致浪涌出现的另一个主因是雷电天气。近年来，因雷电导致电子设备出现损坏的事件屡见不鲜，虽然很多企业和工厂都加强了防雷电装置的设计，但是雷电造成设备软损伤的情况依然层出不穷。

2.3 静电（ESD）干扰

所谓静电干扰，就是自动化仪表运行过程中，因操作人员本身所携带的静电电荷造成设备系统紊乱，严重时可能击穿硬件设备，导致自动化仪表故障频发。

2.4 电快速瞬变脉冲群

对自动化仪表而言，当电感性负载短时间出现多次断开和接通操作时，可能导致脉冲群短时间内多次出现，对设备开关产生巨大影响，导致设备出现电磁兼容问题，无法正常工作。

2.5 其他电磁设备的干扰

部分设备具有一定的对外辐射性，例如无线电广播、无线电收发机等。这些设备在工作过程中会发出一定辐射，影响周围自动化仪表的正常工作。

3 实例分析自动化仪表的电磁兼容设计

载流X荧光分析仪是选矿生产的重要自动化仪表设备之一，但由于选矿厂的多种大型设备同时运行，工作环境中充斥着大量的电磁干扰，导致设备经常出现通信中断问题。根据现场调研，主要由于浪涌电压、ESD以及电快速脉冲群等电磁干扰，导致设备无法正常运行。

3.1 电快速瞬变脉冲群干扰试验

为了检查电快速瞬变脉冲群是否导致设备出现通信中断故障，本实验测试了自动化仪表设备的电源端口和信号线，基于±2 000 V的测试电压，重复频率约为5kHz，每300 ms重复一次。根据试验结果来看，相关测试结果均符合标准要求，证明设备运行过程中没有受到电快速瞬变脉冲群的影响[3]。

3.2 ESD电磁干扰试验

通过对自动化仪表设备的外壳、串口螺钉进行ESD电磁干扰测试，基于±800 V空气放电测试电压和±6 000 V的接触放电测试电压，10次放电均未发现ESD电磁干扰问题。

3.3 其他射频设备辐射干扰试验

针对设备的电源线和通信线进行射频场感应传导抗扰度试验，基于10 V/m的测试电压，频率为80～150kHz。经过测试，未发现明显的异常情况，说明设备未因其他射频设备的辐射干扰出现通信中断故障。

3.4 浪涌电磁干扰试验

针对自动化仪表设备的电源线、通信线进行浪涌电磁干扰试验，基于±1 000 V的测试电压，采用差模注入方式。测试发现，电源线存在明显的电磁干扰故障，说明导致设备出现电磁兼容性问题的主因在于浪涌电磁干扰。

通过进一步测试发现，涌浪电磁干扰对设备的影响是一个累积的过程。载流X荧光分析仪在工作中虽然出现了通信中断故障，但重新通电后设备可以正常工作。试验过程中，通信出现中断后，重新通电后设备无法正常运行，更换电源模块后设备恢复正常，说明涌浪电磁干扰不仅会影响设备的正常运行，而且会导致设备硬件出现故障。普通滤波器无法有效抵抗浪涌的高能量冲击，必须采用专用的浪涌抑制器件（如图1所示）。通过与电源模块并联设置，吸收和转移超出设备承受能力之外的电压，达到保护设备、提高设备电磁兼容性的目的。

图1 增设浪涌抑制器后的设备布置

通过设置浪涌抑制器，大大提高了自动化仪表的浪涌抵抗能力。经过连续半年的现场考察，整改后的载流X荧光分析仪在运行过程中未出现通信中断故障。

4 结 论

综上所述，电磁干扰会对自动化仪表的正常运行造成巨大危害，严重影响了工业生产的自动化、智能化发展。相关工作者必须重视电磁兼容设计分析，不仅要在产品设计阶段对产品的元器件、电路板、外壳以及配线等进行科学合理的抗干扰设计，而且要积极研究各种电磁干扰源的运行原理，通过科学试验找出影响设备运行的原因，并采取有效的技术手段提高自动化仪表的电磁兼容性，确保设备健康良性运行。