王詩然，趙 宇，趙建軍

（北京礦冶研究總院 礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102600）

BOXA 型載流X熒光分析儀由探頭控制器和多路器控制器（以下簡稱控制器）進(jìn)行電氣控制，保證分析儀各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。在選礦生產(chǎn)過程中，工藝流程具有復(fù)雜性、多參數(shù)性和多參數(shù)變化性［1］，生產(chǎn)過程中需要根據(jù)礦漿品位的變化調(diào)整工藝參數(shù)，因此品位數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性對(duì)應(yīng)減小工藝參數(shù)調(diào)整的滯后性至關(guān)重要［2］。分析儀對(duì)金屬品位快速、實(shí)時(shí)的分析，可以幫助選廠監(jiān)測(cè)工藝波動(dòng)從而及時(shí)做出調(diào)整，以保證回收率，不間斷取樣和分析，節(jié)省了化驗(yàn)和取樣成本，并且高精度的分析結(jié)果可以取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室手工化驗(yàn)過程，同時(shí)控制選礦質(zhì)量，將波動(dòng)最小化，優(yōu)化選礦操作，以最低的負(fù)荷獲得最大礦石處理量。BOXA型載流X熒光分析儀主機(jī)柜如圖1所示。

圖1 BOXA型載流X熒光分析儀主機(jī)柜

此外，控制器還負(fù)責(zé)BOXA型載流X熒光分析儀的安全，X射線管的電源沒有關(guān)閉的情況下，是無法通過人機(jī)界面打開啟樣品盒的。如果樣品盒的任何一個(gè)傳感器檢測(cè)到探頭蓋打開，控制器會(huì)關(guān)閉X射線管電源［3］。所以，控制器是BOXA型載流X熒光分析儀的核心部件。

選礦廠內(nèi)各種大型設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，耗電量巨大，各種電磁騷擾充斥周圍環(huán)境，必然會(huì)對(duì)控制器產(chǎn)生影響。因此，必須改善設(shè)備在電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力以使其更好地工作，也就要求對(duì)相應(yīng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)提出更可靠的解決方案，從而最大限度地抑制和消除空間中的電磁干擾。

1 電磁環(huán)境分析

選冶工藝過程中常見的電磁兼容問題有以下幾類：①大型設(shè)備導(dǎo)致的電子設(shè)備誤動(dòng)作或精度降低；②浪涌（沖擊）導(dǎo)致電子設(shè)備受影響；③靜電放電（ESD）干擾電子設(shè)備；④電快速瞬變脈沖群干擾電子設(shè)備；⑤射頻傳導(dǎo)干擾電子設(shè)備。

1．1 大型設(shè)備導(dǎo)致的電子設(shè)備誤動(dòng)作或精度降低

現(xiàn)場(chǎng)有大功率的電力電子設(shè)備，如變頻器、直流電機(jī)等，當(dāng)這些設(shè)備工作時(shí)，導(dǎo)致周圍的電子設(shè)備受到干擾，現(xiàn)象包括PLC、數(shù)控設(shè)備等出現(xiàn)誤動(dòng)作，儀表測(cè)量精度降低，計(jì)算機(jī)顯示屏有干擾等等，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)故障。

1．2 浪涌（沖擊）導(dǎo)致電子設(shè)備受影響

1）電網(wǎng)上的浪涌電壓導(dǎo)致電子設(shè)備誤動(dòng)作。選廠內(nèi)部的電網(wǎng)上浪涌電壓很多，主要是由大型負(fù)載的通斷產(chǎn)生。這種浪涌電壓一般不會(huì)造成電子設(shè)備的硬件損壞，但是足以導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

2）浪涌電壓導(dǎo)致電子設(shè)備硬件損壞。典型現(xiàn)象是電子設(shè)備的硬件頻繁損壞，但是并沒有出現(xiàn)過雷雨天氣。這說明選廠內(nèi)部有較多浪涌發(fā)生源。浪涌電壓會(huì)造成設(shè)備軟損傷，即受到浪涌沖擊當(dāng)時(shí)沒有表現(xiàn)出故障，而是壽命縮短，在某一個(gè)條件下突然失效。

3）雷電天氣電子設(shè)備硬件損壞。雷電天氣，電子設(shè)備被損壞的現(xiàn)象十分常見。雷電產(chǎn)生的浪涌騷擾不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備直接損壞，還會(huì)造成設(shè)備軟損傷。由于雷電是十分常見的自然現(xiàn)象，電子設(shè)備在這種環(huán)境中不能生存，即屬電磁兼容問題。

1．3 靜電放電（ESD）干擾電子設(shè)備

操作員在正常的設(shè)備操作中可能因衣服或皮膚帶有的靜電電荷而使機(jī)器運(yùn)行紊亂，甚至損害硬件設(shè)備。

1．4 電快速瞬變脈沖群干擾電子設(shè)備

電感性負(fù)載（繼電器觸點(diǎn)跳動(dòng)、高壓開關(guān)裝置的切換）斷開／接通時(shí)，在開關(guān)處產(chǎn)生一連串的暫態(tài)脈沖群騷擾。當(dāng)負(fù)載多次重復(fù)開關(guān)時(shí)，脈沖群會(huì)以相應(yīng)的時(shí)間間隙多次重復(fù)出現(xiàn)。

1．5 射頻傳導(dǎo)干擾電子設(shè)備

常見的射頻連續(xù)波輻射來自手持無線電收發(fā)機(jī)、無線電廣播、無線電測(cè)控設(shè)備等。這些設(shè)備對(duì)外輻射是其工作的一部分，且能量較大。一些設(shè)備正常工作時(shí)，內(nèi)部使用高頻／射頻信號(hào)，如開關(guān)電源、智能控制設(shè)備，這些信號(hào)也會(huì)通過機(jī)殼或各類接口線向外泄漏。

選廠內(nèi)除上述幾種電磁兼容問題外，還包括高壓隔離開關(guān)或斷路器在線路上引起的含多種頻率分量的衰減振蕩波、系統(tǒng)短路故障產(chǎn)生的電磁騷擾、大電流注入地網(wǎng)造成的干擾等［4］。

2 電磁兼容性（EMC）簡介

2．1 什么是電磁兼容

設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)［5］。即該設(shè)備不會(huì)由于受到同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)；它也不會(huì)使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)。

2．2 電磁兼容三要素

無論是簡單裝置還是復(fù)雜的系統(tǒng)，形成電磁干擾必須具備三個(gè)基本要素，即電磁干擾源、耦合路徑、敏感設(shè)備［6］。干擾源是發(fā)射電磁能量的裝置，耦合路徑就是載有電磁能量的媒質(zhì)，而敏感設(shè)備即容易受電磁能量干擾的裝置。如果去除其中之一，干擾將不會(huì)發(fā)生。在進(jìn)行產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)，就是要考慮這三方面，找到產(chǎn)生騷擾的根源，簡單有效地消除干擾，保證產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行。

2．3 電磁兼容設(shè)計(jì)方法

2．3．1 濾波

濾波的網(wǎng)絡(luò)是由分布或集中參數(shù)的電感、電容和電阻共同組成，對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行判斷，提取有用信號(hào)的頻率分量，防止干擾頻率通過，使電磁干擾降低到能夠接受的程度。防止和降低電磁干擾的主要措施是使用濾波器。BOXA型載流X熒光分析儀的控制器內(nèi)設(shè)有濾波電路進(jìn)行保護(hù)。

2．3．2 屏蔽

所謂屏蔽，就是使用導(dǎo)磁或?qū)щ姴牧蟻碇谱鳉?、屏等設(shè)備，將電磁能的范圍限制在一定區(qū)域之內(nèi)，用屏蔽體來削弱場(chǎng)的能量，最終防止電磁干擾。有三種屏蔽方法：磁屏蔽、電屏蔽和電磁屏蔽。BOXA型載流X熒光分析儀的控制器外殼為金屬材質(zhì)，可防止靜電放電和周圍環(huán)境的電磁空間輻射。

2．3．3 接地

在系統(tǒng)中的一個(gè)接地面與選定點(diǎn)之間建立小電阻的導(dǎo)電通路與地面相接，由于系統(tǒng)中各個(gè)元件處于零電位并相互連通，就建立了一個(gè)地面參考點(diǎn)，沒有電流通過就沒有電壓降，所以通過接地設(shè)備將干擾電流導(dǎo)入大地，減少干擾源傳播的能量。BOXA型載流X熒光分析儀控制器的金屬外殼和電路板都良好接地。

對(duì)于一般產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)，可以單獨(dú)或組合多個(gè)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證能使產(chǎn)品通過EMC測(cè)試，穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3 EMC測(cè)試與整改

由于電磁兼容的復(fù)雜性，即使對(duì)一個(gè)電磁兼容設(shè)計(jì)問題考慮得比較周全的產(chǎn)品，在投入運(yùn)行的過程中，也難免因現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的電磁干擾因素，造成設(shè)備故障。對(duì)此類產(chǎn)品存在的電磁兼容問題，只能采取“出現(xiàn)什么問題，解決什么問題”的解決方法，以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行最小改動(dòng)使其達(dá)到電磁兼容要求，也就屬于電磁兼容整改的范疇［6］。

本文所研究的產(chǎn)品為載流X熒光分析儀的控制器，該控制器在現(xiàn)場(chǎng)遇到的電磁兼容問題是運(yùn)行期間偶爾通訊中斷，重新啟動(dòng)后可恢復(fù)正常工作狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可能引起故障的騷擾源為浪涌電壓、電快速脈沖群、傳導(dǎo)輻射和靜電放電，可以推斷干擾信號(hào)主要通過電源端和通訊線進(jìn)入控制器內(nèi)部，因而在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)的EMC試驗(yàn)?zāi)M此現(xiàn)象，方便進(jìn)一步整改。

3．1 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000－4－4，測(cè)試內(nèi)容為控制器（被測(cè)設(shè)備）的電源端口和信號(hào)線，測(cè)試電壓為±2000V，重復(fù)頻率5kHz，重復(fù)時(shí)間300ms，測(cè)試時(shí)間1000ms。測(cè)試結(jié)果未見敏感，全部通過，符合工業(yè)3級(jí)（A）要求。證明騷擾源為電快速瞬變脈沖群的可能性較小。

3．2 靜電放電抗擾度試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000－4－2，測(cè)試內(nèi)容為控制器的金屬外殼、外殼和串口螺釘，測(cè)試電壓為±8000V（空氣放電）和±6000V（接觸放電），放電次數(shù)10次。測(cè)試結(jié)果未見敏感，全部通過，符合工業(yè)3級(jí)（A）要求。證明騷擾源為靜電放電的可能性較小。

3．3 射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000－4－6，測(cè)試內(nèi)容為控制器的電源線和通訊線，測(cè)試電壓為10V／m，頻率范圍150KHZ－80MHz，測(cè)試時(shí)間1000ms。測(cè)試結(jié)果未見敏感，全部通過，符合工業(yè)3級(jí)（A）要求。證明騷擾源為射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)的可能性較小。

3．4 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000－4－5，測(cè)試內(nèi)容為控制器的電源線和通訊線，測(cè)試電壓為±1000V，差模注入，重復(fù)時(shí)間1000ms，測(cè)試時(shí)間600s。結(jié)果顯示電源線測(cè)試中控制器故障，未通過，其他部分未見敏感。證明騷擾源可能為浪涌（沖擊）信號(hào)。

3．5 控制器的整改

進(jìn)行1000V正極性試驗(yàn)中，電源斷電，通訊故障，重新上電后，通訊仍中斷，無法恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。證明浪涌測(cè)試中硬件損壞。經(jīng)過測(cè)試，故障點(diǎn)定位在電源模塊。更換電源模塊后，控制器正常運(yùn)行，且通訊無誤。說明浪涌電壓的注入導(dǎo)致電源模塊損毀。

浪涌的影響是一個(gè)逐漸累積的過程，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，部分控制器在第一次試驗(yàn)時(shí)可安全通過，但是第二次試驗(yàn)中會(huì)突然通訊中斷或者電源損壞。這是因?yàn)樵O(shè)備中元器件遭受浪涌損壞的程度，取決于該部件的絕緣水平及受沖擊的強(qiáng)度［7］。

浪涌（沖擊）的最大特點(diǎn)是能量大，所以采用普通的濾波方案基本無效，必須使用氣體放電管、壓敏電阻等專門的抑制器件。浪涌抑制器件基本的使用方法是直接與被保護(hù)電路并聯(lián)，以便對(duì)超過設(shè)備承受能力的浪涌電壓進(jìn)行吸收或能量轉(zhuǎn)移。本文選用了北京愛科創(chuàng)業(yè)電子技術(shù)有限公司的B010－3PC型號(hào)浪涌濾波器，工作原理是其阻抗在有浪涌電壓出現(xiàn)與沒有浪涌電壓時(shí)不同。正常情況下阻抗很高，對(duì)電路工作沒有影響，當(dāng)有很高的浪涌電壓加在其上時(shí)，阻抗變得很低，能將浪涌能量旁路掉。

如圖2所示，再進(jìn)行IEC 61000－4－5浪涌抗擾度試驗(yàn)，多次測(cè)試結(jié)果顯示，控制器可順利通過，未見敏感現(xiàn)象。

以上實(shí)驗(yàn)證明整改措施有效，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行添加。

圖2 加入浪涌濾波器后試驗(yàn)設(shè)備布置圖

4 結(jié) 語

整改措施未對(duì)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動(dòng)，只是在外部加入保護(hù)器件。通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，控制器對(duì)浪涌沖擊的抵抗能力大大提高。經(jīng)過廣西盤龍選礦廠6個(gè)月的實(shí)際考察，使用整改控制器的BOXA型載流X熒光分析儀可連續(xù)安全運(yùn)行，未出現(xiàn)任何因電磁干擾造成的故障現(xiàn)象。也就是說對(duì)于選礦廠周圍的電磁騷擾，特別是浪涌電壓，控制器有足夠的防御能力，進(jìn)而保證BOXA型載流X熒光分析儀的穩(wěn)定運(yùn)行，使其能夠控制選礦質(zhì)量，將波動(dòng)最小化。

本文以BOXA型載流X熒光分析儀的控制器為例，就電子產(chǎn)品在選礦自動(dòng)化生產(chǎn)過程中遇到的電磁兼容問題進(jìn)行了分析。通過EMC試驗(yàn)?zāi)M了控制器在現(xiàn)場(chǎng)遇到的干擾現(xiàn)象，根據(jù)浪涌侵入產(chǎn)品的途徑和破壞機(jī)理，找到相應(yīng)對(duì)策，完成設(shè)備的整改，以提高產(chǎn)品的浪涌（沖擊）抵抗能力。只有保證控制器的電磁可靠性，才能實(shí)現(xiàn)分析儀的優(yōu)化選礦操作，以最低的負(fù)荷獲得最大礦石處理量，安全有效的指導(dǎo)生產(chǎn)。也為同類產(chǎn)品在選礦自動(dòng)控制中的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考，以保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

［1］ 趙建軍，曾榮杰．載流X熒光品位分析儀的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀［C］／／2009年全國選礦學(xué)術(shù)會(huì)議，2009．

［2］ 李鵬程，趙建軍，趙宇，等．BOXA品位分析儀管理站軟件開發(fā)［J］．有色金屬工程，2014，4（5）：72－74．

［3］ 李杰，周俊武，徐寧，等．載流X熒光分析儀探頭測(cè)量與控制模塊的開發(fā)［C］／／2010＇中國礦業(yè)科技大會(huì)論文集，2010．．

［4］ 陳新波，孫金立，袁英民，等．綜合式無損檢測(cè)系統(tǒng)的電磁兼容設(shè) 計(jì) ［J］．China Academic Journal Electronic Publishing House，2007，29（10）：571－573．

［5］ 朱文立．電磁兼容設(shè)計(jì)與整改對(duì)策［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2012．

［6］ Mark I．Montrose．電磁兼容的印制電路板設(shè)計(jì)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［7］ 王旭，劉志杰．電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的電磁兼容技術(shù)［J］．科技傳播，2013，5（2）：158－159．