作者：Scott Orlosky, Lisa Eitel

? ? ? ? ?任何通過工業電纜傳遞的電氣信號只要沒有用就是噪聲——即某種形式的電磁干擾 （EMI） 和無線電頻率干擾 （RFI）。通過保護信號不受組件預期運行的電磁環境的影響來避免這種噪聲，這是今天的自動化組件的常規設計方式。但是，防止信號衰減還需要仔細整合自動化機器，這通常涉及良好的設計實踐與電氣連接專業知識的結合。

　　專門用于防止 EMI 的子組件和子系統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，我們將探討關鍵的設計方法，以便：

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

　　這里的首要設計目標是最大限度地減少設計中每個元器件的任何內部放射輻射，以及對外部傳導輻射的敏感性。對于后者，對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、電感或電容耦合傳輸不需要的電子信號。

　　3M AB5000 系列 EMI 吸波粘性片材含有金屬鱗片，可抑制移動設備和軍事設備的輻射 EMI。AB6000 系列片材包括絕緣層、吸收層、屏蔽層和非導電層，適用于需要進行 EMI 屏蔽和吸收的設計——包括手機、調諧器和醫療設備。AB7000 系列片材在需要控制電磁干擾和改善 50-MHz 至 10-GHz 信號完整性的電子設備中及其周圍表現出色。這些片材可以減少輻射性 IC 噪聲以及移動電子設備以及帶狀和柔性電纜上的 EMI 和串擾。（圖片來源：3M）

　　對信號質量的具體威脅

　　大多數與設計工業自動化設備有關的工作都集中在執行器和傳感器等元器件的規格上。但考慮到后者：如果說傳感器是自動化系統的耳朵和眼睛，那么布線就是神經系統，將信號傳遞給大腦（或機器控制器，類比為大腦）。這種電纜暴露在各種潛在的干擾源中，可能會損害系統控制功能。

? ? ? 傳感器和執行器等電氣元件都要進行常規的電磁兼容性 （EMC） 和易感性測試，不過布線及其連接器在維護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器固定方式，并帶有磁屏蔽電纜末端，可充當 EMI 濾波器。采用平面電容器技術時，有些能夠通過 C、CL、LC、L 和各種 pi 拓撲結構濾除 VHF、UHF、MF1、HF 和其他 EMI 范圍。（圖片來源：Amphenol Industrial Operations）

　　如果一個傳感器、執行器或其他元器件依靠電感、電容或電磁原理進行檢測和產生信號，那么該系統中包含的任何 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：消除干擾的藝術與科學》中進行了詳細介紹。此外，潛在環境輻射的強度和頻率應該是眾所周知的，或者至少在最初的設計階段使用工業標準進行編纂。常見和預期干擾的一些實例包括：

　　50 或 60 Hz——公用電網的線路頻率

　　4 至 16 kHz——如電動機的 VFD 中 IGBT 引起的脈寬調制 （PWM） 頻率

　　2.4 GHz——用于無線通信的工業、科學和醫學 （ISM） 頻段。

　　請閱讀 Digi-Key 文章《如何保護工業環境中的 RS-485 總線》，了解更多關于電機、繼電器、螺線管和執行器產生的電磁場以及保護 RS-485 串行總線免受這些 EMI 源影響的具體情況。其他干擾現象包括浪涌、快速瞬變和靜電放電（如在干燥環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用。焊接因產生高帶寬電氣噪聲而惡名遠揚，這是因為：

• 　　焊接過程產生高能量（電流）
• 　　焊接過程中的阻抗變化

　　因此，在設施中靠近任何電源線附近操作工業焊接設備（甚至與其他設備共享接地）都可能成為一個重要的 EMI 源，并與其他設備進行電氣耦合——甚至發生在數百英尺之外。在這種裝置中必須包括專門的設備和附件（特別是電纜），以防止與 EMI 有關的操作問題。

　　要避免的設備規格和安裝錯誤

　　一旦設備與更大的自動化系統聯網，它所通信的信號或表現的行為就會具有以下特征：

• 　　只表現得與 EMI 有關
• 　　實際上與 EMI 有關

　　EMC 問題的癥狀可以表現為信號掉線、低信噪比、信號干擾和不穩定的控制回路。

　　產生模擬信號的傳感器最容易受到噪聲的影響，因此，同等數字設備通常是首選。這些傳感器版本產生數字 PWM、頻率或串行輸出信號，更抗 EMI 干擾。這里需要注意的是，某些數字信號的高開關頻率會導致瞬時振蕩（電壓或電流輸出振蕩），并在過渡期出現指數級衰減。這種瞬時振蕩通常可以通過在傳感器系統的接收端使用一個小的去耦電容或一個衰減電阻來補救。

　　在 Digi-Key Cable Matters 學習模塊中可以了解到更多關于模擬和數字設備信號的區別。

　　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 A 伴隨著其反轉信號 A/）有效地避免了所有共模噪聲。雙絞線信號線進一步提高了這種抗電磁干擾的能力。正確安裝時，可記錄在兩根線上相同的誘導噪聲，從而實現最大的有效噪聲抑制。

　　在傳感器電纜的信號側，低電容對于最大限度地降低 EMI 敏感性至關重要。另一個優點是，攜帶基于頻率的數據的低電容信號可以在信號頻率變化時最好地保持輸出驅動信號的穩定性。相反，電容過大會導致信號衰減，有時會使整體輸出降低到檢測閾值以下。這種間歇性的影響往往相當微妙，但用示波器很容易診斷出來。

　　在理想情形下，布線將清潔的電源信號和參考值傳輸給電源傳感器和執行器。然后，它向系統控制器返回完全干凈的傳感器和執行器狀態信號。盡管這看起來很簡單，但連接到傳感器或執行器的電纜是電路最重要、也是最脆弱的部分——也是增加 EMI 敏感性的主要區域。這是因為它們在某些情況下可以表現為長天線。

　　設計提示：要考慮采用超長電纜（超過 500 英尺）時所造成的功率損失，特別是在電源導體規格在 22 或以下且每個設備的電流在 500 毫瓦或以上時。

　　正確連接傳感器的另一個提示：了解并仔細連接電纜電源側的導體。這種連接通常被視為理所當然。對于很多傳感器和執行器來說，這個電源連接提供了一個 5 到 28V 的基準，以驅動最終返回到控制器的信號。電纜電源側的兩個導體通常被稱為電源和接地。這并不嚴格正確——而且（如果這些標簽告知了安裝方法）會導致干擾問題。更正確的說法是，傳感器的電源側接地應稱為信號公共線。這是因為電源的回流終止于電源的內部基準，而不是系統接地。在這里，真正的接地經常連接至：

• 　　壁柜外殼或
• 　　可追溯到物理接地的電線導管

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

　　當然，全屏蔽電纜可以進一步提高設計的電源端完整性。這種屏蔽方式通常放置在浮動位置（未連接），作為法拉第籠，并限制電源線中的可感應功率。但有時電磁干擾足夠大，需要的不僅僅是屏蔽。這里的一個解決方案是，在機柜或導管處將屏蔽層接地，充當一個泄漏路徑，將任何多余的能量導向接地。不太建議在兩端都連接這樣的屏蔽層，因為電纜的設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際上會出現過多的電流流動。這在雷暴期間最有問題，因為當有雷電擊中工廠附近的地面時，地面電位會有很大變化。在內部現場制作電纜組件時，應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。

　　關于保持自動化反饋信號質量的最后一點說明：隨著時間的推移，自動化系統經常要改造和升級。通常情況下，這涉及到設備增添，以實現更為復雜和精密的能力。風險是，將過多的設備連接到一個現有電源上時，會導致電壓下降和錯過信號。這表現為一個間歇性的問題，看起來像是由于破壞性干擾造成的信號中斷。電源負擔過重的情況相當普遍，因此在任何升級過程中，一定要確認現有的電源在所有設備都處于活動狀態時能夠處理負荷。

　　結語

　　徹底和周到的設計方法可以確保設備穩健可靠地工作，適應工業自動化環境。需要注意的是，連接方案對傳感器和執行器的正確安裝特別重要，并能防止電磁干擾造成信號質量下降。用高質量的電纜和連接器進行最終連接，可以確保在自動化機器一開始就能順利運轉，并在壽命期內保持穩定工作。