电气柜抗干扰设计优化

除了基本的电气柜柜体设计之外，在电气柜设计中还必须考虑电路之间干扰的存在，做好电气柜的抗干扰设计。在电气柜设计及实际应用中，我们要尽量降低干扰，并且防止电路干扰向CNC单元传送，因此在电气柜设计中，必须根据实际情况及相关的电气元器件特性，充分考虑各元器件的合理布局，以尽量减少乃至避免各元器件之间相互干扰的情况发生。

在抗干扰设计中，最基本的原则是对于电气柜柜内各部件的安装和排列进行合理的规划，根据电气元器件各自的特点对元器件进行交直流区分，从而在走线时尽量做到交直流分离；此外，合理的安装和排列还可以有效的简化检修工作。

如果还需要在电气柜内安装电磁辐射类的元器件（例如变压器，风扇风机，电磁接触器，线圈和继电器等），则需要认真考虑该类元器件的安装位置以及其与显示器之间的距离，避免因距离过近而导致对于显示器的显示造成干扰；同时，如果因为特定的需求而导致电磁元件必须固定在距离显示器300mm以内的位置时，还可以通过调整电磁元器件的方向来降低对屏幕显示的影响。

此外，在实际应用中，要加强电气柜的抗干扰能力，还必须认真考虑电气柜柜体设计中的接地策略，预先设计好接地点；如果对于稳定性要求很高，还需要进一步考虑增加特殊元器件来抑制各电路在联系过程中所产生的地环路干扰系统。

因此，综上所述，在进行电气柜的抗干扰设计时，主要应从合理调整电气柜内部电气元器件的分布以及通过地线的合理使用、增加抗地环路元器件等方式来加强电气柜自身的抗干扰能力这两方面入手。

1.元器件的分布原则

前文已经提及，电气柜设计中一个重要的原则就是根据电气柜内部的电气元器件的用途和性能，进行合理地区分并针对其分布位置做好合理的布置。这样的做法可以帮助元器件充分散热，并方便后续的检查和维修工作的顺利进行；更重要的是，电气元器件的合理布局还可以有效地减少电气元器件之间的相互干扰，提高电气柜的抗干扰能力。

因此，电气柜内元器件的布局是十分重要的，必须严格按照相关的布置标准进行。一般来说，在实际应用中，可以将以下原则作为指导电气柜内部元器件布局的基本准则。

1）通过强电流的元器件和通过弱电流的元器件彼此之间应尽量分开。

2）同一类别的元器件应尽量紧靠安装，如断路器和断路器应安装在一起，继电器和继电器应安装在一起，接线端子排尽量布置在同一排等。

3）在实际安装之前，认真查看元器件的规格说明书，核查其是否有空间和环境的特殊要求。

4）在进行元器件布局时，应尽量确保整体布线的简洁方便、节省成本且便于维修。

5）电气柜内的电气设备应留有足够的电气间隙及爬电距离，以保证设备安全可靠的工作。

6）电气元器件及其组装板的安装结构应尽可能地简单便捷，有助于正面拆装工作的进行。如有可能，元器件的安装紧固件最好可以从正面进行紧固及松脱。

7）电气柜内各电气元器件应确保可以进行单独的拆装及更换，而不影响其他电气元器件及导线束的固定；尤其是对于熔断器、易损坏的元器件、偶尔需要调整及复位的元器件等，应确保在不需要拆卸其他部件的前提下便可以接近，以便于更换及调整。

8）电气柜内部的发热元器件应安装在散热良好的位置，两个发热元器件之间的连线应采用耐热导线或裸铜线套瓷管；此外，电阻器等电热元器件一般应安装在箱子的上方，安装的方向及位置应利于散热，并尽量减少对其他元器件的热影响。

9）电气柜内的PLC等电子元器件的布置要尽量远离主回路、开关电源及变压器，不得直接放置或靠近柜内其他发热元器件的对流方向。

10）主令操纵电气元器件及整定电气元器件的布置应避免由于偶然触及其手柄、按钮而导致误动作或动作值变动的可能性。

11）不同的工作电压电路中的熔断器应分开布置。

12）在电气柜内，元器件的排版应考虑到元器件的布置对线路走向及合理性的影响。此外，对大截面导线转弯半径的考虑、对强弱电元器件之间的距离放置、对发热元器件的方向布置、为实现最大限度的防干扰目的，对PLC和其他仪器仪表相对于主回路和易产生干扰源元器件之间的布置等，这些都是在进行排版布置时必须进行综合考量的重点问题。

2.抗电磁干扰策略

对于电气柜抗干扰的设计，除了通过合理地布线尽可能减少干扰的产生之外，还需要使用一些特定的方式或者特殊的元器件来进一步降低甚至消除电气柜内的干扰因素，通常我们把这样的做法统称为电气柜的抗电磁干扰策略。

所谓电磁干扰，可以分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络上；而辐射干扰则是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络中。一般来说，在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，进而通过发射电磁波对其他系统或本系统内的其他子系统的正常工作状态产生不良影响。

此外，对于CNC部件而言，还会受到内外部噪声的影响。现阶段而言，尽管表面安装和大规模集成电路的应用，使得CNC的体积稳步减小，进而在设计上可以更加有效地防止外部噪声对CNC的损坏；但是，噪声水平的测定很难定量测定，并且由于噪声问题的多样性和不确定性，很难保证实现完全杜绝的状态。因此，在兼顾抗电磁干扰的同时，采取有效地手段防止内部噪声的产生以及防止外部噪声传入CNC，对于提高CNC的工作稳定性也非常重要。

需要注意的是，在实际的安装和应用中，CNC的功能部件经常和电气柜中能产生噪声的电磁元器件装在一起。因此，与之相关的电容耦合、电磁感应和对地的循环都有可能成为CNC的噪声源。

基于这样的情况，在实际设计和应用中，我们应该确保采取适当而有效的措施，在针对于抗电磁干扰的前提下，尽可能地降低噪声所带来的负面影响。一般来说，在实际应用中，我们可以通过使用信号线分离以及接地来实现。这两种方法是目前实际应用中较为广泛的方法，实施简单、效果明显、能够很好地提高抗干扰能力。(www.xing528.com)

（1）信号线的分离

在实际应用中，数控机床需要使用多条电缆线，而不同信号的电缆线之间的互相影响也常常是造成干扰的重要原因之一。针对这一点，我们可以对各电缆的信号线进行分离，已达到抗干扰的目的。在表2-18中对机床中常用的电缆分类及抗干扰处理措施进行了简要的介绍。

表2-18 信号线的抗干扰处理方法一览表

（2）接地

在实际应用中，合理的接地措施是实现抗干扰目的的重要手段。所谓接地，本质上就是为与之相连的部件提供一个等电位点或等电位面。接地对象可以是真正的大地，也可以不是。如飞机上电子电气设备接飞机壳体就是接地；如果接的是大地，则地线电位为大地电位，是零电位。

接地的目的有两个：一是为了保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，这类地线应与真正的大地相连接，称为保护地线。对于电气柜而言，其壳体就需要通过保护地线与大地相接，从而使其始终与大地电位保持一致，以确保人体接触柜体时不会发生危险。如果不接保护地线，当电气柜发生故障时，柜体电位可能会达到很高的一个水平，如果此时人体触及柜体，故障电流就会全部经由人体向大地流通，从而产生触电的危险；二则是为了保证设备的正常工作，这类地线在用于设备屏蔽时，也常常需要与大地相结合，才能起到相应的效果，通常称之为工作地线。例如直流电源常需要有一极接地，作为参考零电位，其他极与之比较；或者在信号传输中将一根线接地，作为基准电位，传输信号的大小与该基准电位相比较等。

需要强调的是，在电子设备中一定要注意地线，尤其是工作地线的正确接法，否则会产生共地线阻抗干扰、地环路干扰或共模电流辐射等问题。一般来说，常见的接地方式主要分为单点串联接地、单点并联接地以及多点接地三类。

1）单点串联接地。电路中只有一个物理点被定义为接地参考点，所有接地点用工作地线串联起来，然后接于此参考点，即是单点串联接地。这种接地方式使用起来比较简单，电路布线也比较容易，在频率较低、地线阻抗不大、组内各电路的电平又相差不大的情况下应用较为广泛。但是，在大功率和小功率电路混合应用的系统中，一定不可以使用这种方式，因为大功率电路中的地线电流会对小功率电路的正常工作造成不良影响。

2）单点并联接地。使用单点并联接地方式的各电路的地电位只与本电路的地电流及电线阻抗有关，不受其他电路的影响。基于这个特性，在实际电路布置中，常常会根据实际的需要和电路的复杂情况，将单点串联接地和单点并联接地方式结合起来使用。

需要注意的是，不论是串联还是并联，单点接地的方式只适用于低频电路。因此，对于较长的地线应采取相应的措施，尽量减少阻抗，特别是减小电感。例如增加地线宽度、采用矩形截面导体代替圆导体作地线带等。

在图2-19中以SINUMERIK 808D数控系统与SINAMICS V60驱动器的连接为例，给出了常用的单点接地示例图，可作为实际应用的参考。

图2-19 单点接地示意图

3）多点接地。多点接地的思路是把需要接地的点就近接到接地平面上，从而尽可能地缩短各电路接地点到接地平面的引线。接地金属面需要具备导电好、面积大的特点，这样的做法的主要优势是电路中的阻抗很小，不易产生共阻抗干扰，并可以有效地改善地线的高频特性。

在图2-20中以SINUMERIK 808D数控系统与SINAMICS V60驱动器的连接为例，给出了常用的多点接地示例图，可作为实际应用的参考。

此外，在实际接地过程中，为了便于连接和布线，常常会使用到接地板。一般来说，地线板可以使用2mm左右的镍表面金属板。接地板的制作和安装需要结合实际情况，遵循一定的标准要求，在图2-21中给出了常用的接地板设计示例图。

图2-20 多点接地示意图

图2-21 接地板的设计示意图

同时，对于西门子SINUMERIK 808D数控系统以及SINAMICS V60驱动器的安装而言，还需要使用西门子公司所提供的特定的电缆卡子对所屏蔽的电缆进行卡紧。电缆卡子的应用目的是为了支撑电缆和屏蔽电缆，进而保证CNC系统的工作稳定性。

在实际使用时，需要先将电缆外层剥掉一部分，使其露出屏蔽层，然后用电缆卡子夹紧裸露出屏蔽层的部分，并将其卡在地线板上。在图2-22中给出了使用电缆卡子进行屏蔽电缆安装和固定的安装示例图。

需要强调的是，在进行电缆的屏蔽安装时，要确保将动力线和信号线分开进行安装，即动力线与信号线的电缆卡子不要卡在同一块接地板上，而应使用不同的接地板。