PLC控制系统的信号传输线

1．屏蔽线
图1示出了屏蔽线的三种使用情况。图1（a）是单端接地方式，假设信号电流i₁从芯线流入屏蔽线，流过负载电阻R_L之后，再通过屏蔽层返回信号源。因为i₁与i₂的大小相等而方向相反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施，同时也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。图1（b）是两端接地方式。由于屏蔽层上流过的电流是i₂与地环电流iG的叠加，所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。
如果把图1（c）的抑制磁场干扰衰减能力定为0dB，当图5-57（a）、（b）、（c）的信号源内阻R_S均为100，负载电阻R_L均为1M，信号源频率为50kHz（高于该电缆屏蔽体截频的５倍）时，根据国外专家实验测定，图1（a）具有80dB的衰减，即抑制磁场干扰的能力很强，而图1（b）具有27dB的磁场干扰抑制能力。图1（a）的单端接地方式的抗干扰能力最好，其接地点的选择可以是图1（a）中的情况，也可以选择负载电阻R_L侧接地，而让信号源浮置。

图1 屏蔽线的用法

2．屏蔽电缆

屏蔽电缆是在绝缘导线外面再包一层金属薄膜（即屏蔽层）而构成的。屏蔽层通常是铜丝或铝丝编织网，或无缝铅铂，其厚度远大于集肤深度。屏蔽层的屏蔽效能主要不是因反射和吸收所得到的，而是由屏蔽层接地所产生的。也就是说，屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起到屏蔽作用。例如，干扰源电路的导线对敏感电路的单芯屏蔽线产生的干扰是通过源导线与屏蔽线的屏蔽层间的耦合电容和屏蔽线的屏蔽层与芯线之间的耦合电容实现的。如果把屏蔽层接地，则干扰也被短路至地，不能再耦合到芯线上，屏蔽层起到了电场屏蔽的作用。但屏蔽电缆的磁场屏蔽则要求屏蔽层两端接地。例如，当干扰电流流过屏蔽线的芯线时，虽然屏蔽层与芯线间存在互感，但如果屏蔽层不接地或只有一端接地，屏蔽层上将无电流通过，电流经接地平面返回源端，所以屏蔽层不起作用，不会减小芯线的磁场辐射。如果屏蔽层两端接地，当频率较高时可以证明，芯线电流的回流几乎全部经由屏蔽层流回源端，屏蔽层外由芯线电流和屏蔽层回流产生的磁场大小相等、方向相反，因而互相抵消，达到了屏蔽的目的。但如果频率较低，则回流电流的大部分将流经接地平面返回，屏蔽层仍不能起到防磁作用。而且，当频率虽高但屏蔽层接地点之间存在地电压时，将在芯线和屏蔽层中产生共模电流，而在负载端引起差模干扰。在这种情况下，需要采用双重屏蔽电缆或三轴式同轴电缆方可解决问题。
综上所述，对于低频电路应单端接地。例如，信号源通过屏蔽电缆与一公共端接地的放大器相连，则屏蔽电缆的屏蔽层应直接接在放大器的公共端；而当信号源的公共端接地，放大器不接地时，则屏蔽电缆的屏蔽层应直接接在信号源的公共端。对于高频电路，屏蔽电缆的屏蔽层应双端接地，如果电缆长于1/20波长，则应每隔1/10波长距离接一次地。实现屏蔽层接地时，应使屏蔽电缆的屏蔽层和屏蔽电缆连接器的金属外壳呈360°良好焊接或紧密压在一起，电缆的芯线和连接器的插针焊接在一起，同时将连接器的金属外壳与屏蔽机壳紧密相连，使屏蔽电缆成为屏蔽机箱的延伸，才能取得良好的屏蔽效果。
3．双绞线
双绞线的绞扭若均匀一致，所形成的小回路面积相等而法线方向相反，因此，其磁场干扰可以相互抵消。当给双绞线加上屏蔽层后，其抑制干扰的能力将发生质的变化。双绞线的使用方法如图2所示。如果每2.54cm扭6个均匀绞扭，当采用图1约定的参数时，根据国外专家的实验测定，图2（a）采用单端接地方式，因此对磁场干扰具有高达55dB的衰减能力。可见，双绞线确实有很好的抗干扰效果。而在图2（b）中由于两端接地，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地环电流造成了双绞线电流不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力，只有13dB的磁场干扰衰减能力。在图2（c）中使用屏蔽双绞线，由于其屏蔽层一端接地，另一端悬空，因此屏蔽层上没有返回信号电流，所以它的屏蔽层只有抗电场干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。图2（c）的衰减量与图2（a）一样，为55dB。在图2（d）中，屏蔽线的屏蔽层单端接地，而另一端又与负载冷端相连，具有与图2（a）相同的效果，但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分流，所以具有77dB的衰减。在图2（e）中，屏蔽线的屏蔽层双端接地，具有一定的抑制磁场耦合干扰的能力，加上双绞线本身的作用，因此具有63dB的衰减。图2（f）中，屏蔽线的屏蔽层和双绞线都两端接地，具有28dB的衰减。 双绞线最好的应用是作平衡式传输线路，因为两条线的阻抗一样，自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好地抵消。同时，平衡式传输又具有很强的抗共模干扰能力，因此成为大多数plc控制系统的网络通信传输线。例如，物理层采用RS-422A或RS-485通信接口就是很好的平衡传输模式。

图2 双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰的能力