作者：Scott Orlosky, Lisa Eitel

? ? ? ? ?任何通過工業(yè)電纜傳遞的電氣信號(hào)只要沒有用就是噪聲——即某種形式的電磁干擾 （EMI） 和無(wú)線電頻率干擾 （RFI）。通過保護(hù)信號(hào)不受組件預(yù)期運(yùn)行的電磁環(huán)境的影響來(lái)避免這種噪聲，這是今天的自動(dòng)化組件的常規(guī)設(shè)計(jì)方式。但是，防止信號(hào)衰減還需要仔細(xì)整合自動(dòng)化機(jī)器，這通常涉及良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐與電氣連接專業(yè)知識(shí)的結(jié)合。

　　專門用于防止 EMI 的子組件和子系統(tǒng)通常采取濾波電路或阻斷（屏蔽）組件的形式，如這里所示的管狀鍍錫銅線屏蔽層。

　　在這篇文章中，我們將探討關(guān)鍵的設(shè)計(jì)方法，以便：

• 　　減少內(nèi)部和外部元件產(chǎn)生的 EMI
• 　　提高元件對(duì) EMI 的抗擾度（抗性）

　　這里的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大限度地減少設(shè)計(jì)中每個(gè)元器件的任何內(nèi)部放射輻射，以及對(duì)外部傳導(dǎo)輻射的敏感性。對(duì)于后者，對(duì)外部耦合輻射的固有抗干擾能力必須能防止通過直接傳導(dǎo)、電感或電容耦合傳輸不需要的電子信號(hào)。

　　3M AB5000 系列 EMI 吸波粘性片材含有金屬鱗片，可抑制移動(dòng)設(shè)備和軍事設(shè)備的輻射 EMI。AB6000 系列片材包括絕緣層、吸收層、屏蔽層和非導(dǎo)電層，適用于需要進(jìn)行 EMI 屏蔽和吸收的設(shè)計(jì)——包括手機(jī)、調(diào)諧器和醫(yī)療設(shè)備。AB7000 系列片材在需要控制電磁干擾和改善 50-MHz 至 10-GHz 信號(hào)完整性的電子設(shè)備中及其周圍表現(xiàn)出色。這些片材可以減少輻射性 IC 噪聲以及移動(dòng)電子設(shè)備以及帶狀和柔性電纜上的 EMI 和串?dāng)_。（圖片來(lái)源：3M）

　　對(duì)信號(hào)質(zhì)量的具體威脅

　　大多數(shù)與設(shè)計(jì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有關(guān)的工作都集中在執(zhí)行器和傳感器等元器件的規(guī)格上。但考慮到后者：如果說傳感器是自動(dòng)化系統(tǒng)的耳朵和眼睛，那么布線就是神經(jīng)系統(tǒng)，將信號(hào)傳遞給大腦（或機(jī)器控制器，類比為大腦）。這種電纜暴露在各種潛在的干擾源中，可能會(huì)損害系統(tǒng)控制功能。

? ? ? 傳感器和執(zhí)行器等電氣元件都要進(jìn)行常規(guī)的電磁兼容性 （EMC） 和易感性測(cè)試，不過布線及其連接器在維護(hù)和支持電磁兼容性或 EMC 方面的作用往往被忽視。有些電纜連接器采用機(jī)器固定方式，并帶有磁屏蔽電纜末端，可充當(dāng) EMI 濾波器。采用平面電容器技術(shù)時(shí)，有些能夠通過 C、CL、LC、L 和各種 pi 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾除 VHF、UHF、MF1、HF 和其他 EMI 范圍。（圖片來(lái)源：Amphenol Industrial Operations）

　　如果一個(gè)傳感器、執(zhí)行器或其他元器件依靠電感、電容或電磁原理進(jìn)行檢測(cè)和產(chǎn)生信號(hào)，那么該系統(tǒng)中包含的任何 PCB 都可能需要屏蔽以及廣泛的接地平面。后者在 Digi-Key 文章《射頻屏蔽：消除干擾的藝術(shù)與科學(xué)》中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。此外，潛在環(huán)境輻射的強(qiáng)度和頻率應(yīng)該是眾所周知的，或者至少在最初的設(shè)計(jì)階段使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編纂。常見和預(yù)期干擾的一些實(shí)例包括：

　　50 或 60 Hz——公用電網(wǎng)的線路頻率

　　4 至 16 kHz——如電動(dòng)機(jī)的 VFD 中 IGBT 引起的脈寬調(diào)制 （PWM） 頻率

　　2.4 GHz——用于無(wú)線通信的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué) （ISM） 頻段。

　　請(qǐng)閱讀 Digi-Key 文章《如何保護(hù)工業(yè)環(huán)境中的 RS-485 總線》，了解更多關(guān)于電機(jī)、繼電器、螺線管和執(zhí)行器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)以及保護(hù) RS-485 串行總線免受這些 EMI 源影響的具體情況。其他干擾現(xiàn)象包括浪涌、快速瞬變和靜電放電（如在干燥環(huán)境或缺乏防靜電地板的工廠人員身上的“靜電”）以及工廠附近極端天氣引起的雷擊。

　　考慮電弧焊的電噪聲應(yīng)用。焊接因產(chǎn)生高帶寬電氣噪聲而惡名遠(yuǎn)揚(yáng)，這是因?yàn)椋?/p>

• 　　焊接過程產(chǎn)生高能量（電流）
• 　　焊接過程中的阻抗變化

　　因此，在設(shè)施中靠近任何電源線附近操作工業(yè)焊接設(shè)備（甚至與其他設(shè)備共享接地）都可能成為一個(gè)重要的 EMI 源，并與其他設(shè)備進(jìn)行電氣耦合——甚至發(fā)生在數(shù)百英尺之外。在這種裝置中必須包括專門的設(shè)備和附件（特別是電纜），以防止與 EMI 有關(guān)的操作問題。

　　要避免的設(shè)備規(guī)格和安裝錯(cuò)誤

　　一旦設(shè)備與更大的自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，它所通信的信號(hào)或表現(xiàn)的行為就會(huì)具有以下特征：

• 　　只表現(xiàn)得與 EMI 有關(guān)
• 　　實(shí)際上與 EMI 有關(guān)

　　EMC 問題的癥狀可以表現(xiàn)為信號(hào)掉線、低信噪比、信號(hào)干擾和不穩(wěn)定的控制回路。

　　產(chǎn)生模擬信號(hào)的傳感器最容易受到噪聲的影響，因此，同等數(shù)字設(shè)備通常是首選。這些傳感器版本產(chǎn)生數(shù)字 PWM、頻率或串行輸出信號(hào)，更抗 EMI 干擾。這里需要注意的是，某些數(shù)字信號(hào)的高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)振蕩（電壓或電流輸出振蕩），并在過渡期出現(xiàn)指數(shù)級(jí)衰減。這種瞬時(shí)振蕩通常可以通過在傳感器系統(tǒng)的接收端使用一個(gè)小的去耦電容或一個(gè)衰減電阻來(lái)補(bǔ)救。

　　在 Digi-Key Cable Matters 學(xué)習(xí)模塊中可以了解到更多關(guān)于模擬和數(shù)字設(shè)備信號(hào)的區(qū)別。

　　在有條件的情況下，可輸出差分輸出的傳感器是首選。以差分模式工作的傳感器（信號(hào) A 伴隨著其反轉(zhuǎn)信號(hào) A/）有效地避免了所有共模噪聲。雙絞線信號(hào)線進(jìn)一步提高了這種抗電磁干擾的能力。正確安裝時(shí)，可記錄在兩根線上相同的誘導(dǎo)噪聲，從而實(shí)現(xiàn)最大的有效噪聲抑制。

　　在傳感器電纜的信號(hào)側(cè)，低電容對(duì)于最大限度地降低 EMI 敏感性至關(guān)重要。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，攜帶基于頻率的數(shù)據(jù)的低電容信號(hào)可以在信號(hào)頻率變化時(shí)最好地保持輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定性。相反，電容過大會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，有時(shí)會(huì)使整體輸出降低到檢測(cè)閾值以下。這種間歇性的影響往往相當(dāng)微妙，但用示波器很容易診斷出來(lái)。

　　在理想情形下，布線將清潔的電源信號(hào)和參考值傳輸給電源傳感器和執(zhí)行器。然后，它向系統(tǒng)控制器返回完全干凈的傳感器和執(zhí)行器狀態(tài)信號(hào)。盡管這看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但連接到傳感器或執(zhí)行器的電纜是電路最重要、也是最脆弱的部分——也是增加 EMI 敏感性的主要區(qū)域。這是因?yàn)樗鼈冊(cè)谀承┣闆r下可以表現(xiàn)為長(zhǎng)天線。

　　設(shè)計(jì)提示：要考慮采用超長(zhǎng)電纜（超過 500 英尺）時(shí)所造成的功率損失，特別是在電源導(dǎo)體規(guī)格在 22 或以下且每個(gè)設(shè)備的電流在 500 毫瓦或以上時(shí)。

　　正確連接傳感器的另一個(gè)提示：了解并仔細(xì)連接電纜電源側(cè)的導(dǎo)體。這種連接通常被視為理所當(dāng)然。對(duì)于很多傳感器和執(zhí)行器來(lái)說，這個(gè)電源連接提供了一個(gè) 5 到 28V 的基準(zhǔn)，以驅(qū)動(dòng)最終返回到控制器的信號(hào)。電纜電源側(cè)的兩個(gè)導(dǎo)體通常被稱為電源和接地。這并不嚴(yán)格正確——而且（如果這些標(biāo)簽告知了安裝方法）會(huì)導(dǎo)致干擾問題。更正確的說法是，傳感器的電源側(cè)接地應(yīng)稱為信號(hào)公共線。這是因?yàn)殡娫吹幕亓鹘K止于電源的內(nèi)部基準(zhǔn)，而不是系統(tǒng)接地。在這里，真正的接地經(jīng)常連接至：

• 　　壁柜外殼或
• 　　可追溯到物理接地的電線導(dǎo)管

　　這種接地的電位往往與信號(hào)公共線不同。這意味著如果信號(hào)回流直接連接到接地，電流就會(huì)流經(jīng)信號(hào)公共線并形成一個(gè)接地回路，從而引起不需要的噪聲。

　　當(dāng)然，全屏蔽電纜可以進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的電源端完整性。這種屏蔽方式通常放置在浮動(dòng)位置（未連接），作為法拉第籠，并限制電源線中的可感應(yīng)功率。但有時(shí)電磁干擾足夠大，需要的不僅僅是屏蔽。這里的一個(gè)解決方案是，在機(jī)柜或?qū)Ч芴帉⑵帘螌咏拥兀洚?dāng)一個(gè)泄漏路徑，將任何多余的能量導(dǎo)向接地。不太建議在兩端都連接這樣的屏蔽層，因?yàn)殡娎|的設(shè)備端往往與電源端處于不同的電位，這意味著在兩端連接的屏蔽層實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)過多的電流流動(dòng)。這在雷暴期間最有問題，因?yàn)楫?dāng)有雷電擊中工廠附近的地面時(shí)，地面電位會(huì)有很大變化。在內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)制作電纜組件時(shí)，應(yīng)注意確保屏蔽層一直穿過電纜并連接到連接器主體——確保法拉第屏蔽特性的端到端完整性。

　　關(guān)于保持自動(dòng)化反饋信號(hào)質(zhì)量的最后一點(diǎn)說明：隨著時(shí)間的推移，自動(dòng)化系統(tǒng)經(jīng)常要改造和升級(jí)。通常情況下，這涉及到設(shè)備增添，以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜和精密的能力。風(fēng)險(xiǎn)是，將過多的設(shè)備連接到一個(gè)現(xiàn)有電源上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電壓下降和錯(cuò)過信號(hào)。這表現(xiàn)為一個(gè)間歇性的問題，看起來(lái)像是由于破壞性干擾造成的信號(hào)中斷。電源負(fù)擔(dān)過重的情況相當(dāng)普遍，因此在任何升級(jí)過程中，一定要確認(rèn)現(xiàn)有的電源在所有設(shè)備都處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)能夠處理負(fù)荷。

　　結(jié)語(yǔ)

　　徹底和周到的設(shè)計(jì)方法可以確保設(shè)備穩(wěn)健可靠地工作，適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境。需要注意的是，連接方案對(duì)傳感器和執(zhí)行器的正確安裝特別重要，并能防止電磁干擾造成信號(hào)質(zhì)量下降。用高質(zhì)量的電纜和連接器進(jìn)行最終連接，可以確保在自動(dòng)化機(jī)器一開始就能順利運(yùn)轉(zhuǎn)，并在壽命期內(nèi)保持穩(wěn)定工作。