46

电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受 P WM 载波信号调制的脉冲波形，对于 G T R 大功率逆变器件，

其 PWM 的载波频率为 2-3 kHz，而 IGB T 大功率逆变器件的 PWM 载频可达 1 5 kHz.同样。输出回路电流信号也

可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波。而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向

空间辐射。干扰邻近电设备。

b) 抑制谐波干扰常用的方法

谐波的传播途径是传导和辐射,解决传导干扰主要是对通过电路传导的高频电流进行滤波或者隔离;解决辐射

干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体常用方法有:

i. 变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变

压器,切断谐波电流:

ii. 在变频器输入侧与输出侧审接合适的电抗器,或安装谐波滤波器.滤波器的组成必须是 L C 型.吸收谐波和

增大电源或负载的阻抗,达到抑制谐波的目的;

iii. 电动机和变频器之间的电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,灕

免辐射干扰;

iv. 信号线采用屏蔽线。且布线时与变频器主回路控制线错开-定鉅离 (至少 20 cm 以上) .切断辐射干扰:

v. 变频器使用专用接地线.且用粗短线接地,邻近其他电气设备的地线必须与变频器配线分开,使用短线,这

样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。

3) 无源滤波的优缺点

无源滤波装置结构简单，成本较低，技术已比较成熟，但是也存在着难以克服的缺陷：

a) 滤波特性受系统参数的影响较大，极易与系统或者其它滤波支路发生串并联谐振;

b) 只能消除特定的几次谐波，而对其他的某次谐波则会产生放大作用;

c) 滤波、无功补偿、调压等要求之间有时难以协调;

d) 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载，甚至损坏设备。

e) 有效材料消耗多，体积大。

4) 有源滤波的优点

有源滤波技术作为一种新型的谐波治理方法，是消除谐波污染、提高电能质量的有效工具，与无源滤波技术

相比，有着无可比拟的优势，主要表现在以下几个方面。

a) 实现了动态补偿，可对频率和大小均变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度;

b) 有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化，规

模化生产;

c) 当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐振的危险，同时能抑制串

并联谐振

47

d) 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件不大

e) 用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍次的谐波电流，既可以对一个谐波和无功源进行单独

补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿

f) 当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开

g) 装置可以仅输出所需要补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率，不但减小了有源滤波器的总容量，

还可以避免轻负荷时发生无功倒送现象。

5) 什么时候在变频器前加无源滤波？

减小电流谐波，总的谐波失真系数小于 16%或 10%

6) 无源滤波和有源滤波的比较

无源滤波器只能滤除固定次数的谐波，但可以解决系统中的谐波问题，解决企业用电过程中的实际问题，且

可以达到国家电力部门的标准；有源滤波器可动态滤除各次谐波，有源滤波器的滤波效果可达 95%左右，可动态

滤除谐波的同时又能够抑制闪变并补偿无功功率，对比无源滤波器的滤波效果在 65%左右，只能滤除某一次或多

次特定频率谐波。

有源滤波容量单套不超过 100KVA，无源滤波则无此限制；有源滤波在提供滤波时，不能或很少提供无功功

率补偿，因为要占容量；而无源滤波则同时提供无功功率补偿。

无源滤波器的结构简单，成本较低；有源滤波器滤波效率高，相对无源来讲会稍贵一点。

无源滤波器谐振点偏移，效果降低；有源滤波器不受影响。

7) 信号电源抗干扰措施

变频器输出侧整流环节产生的高频干扰信号能够利用输电线路，影响外部电网和系统的正常运行，因此必须

在变频器的输入侧设置相应的屏蔽措施，一是为了防止高频信号由输电线路进入系统，从而影响系统内部 PLC、

各类传感器的正常工作；二是避免高频干扰信号通过变频器的输入侧电源进一步污染外部电网。由此考虑在电源

开关的输入侧加装隔离变压器。隔离变压器应用电磁感应原理，其简易原理图解如图 1 所示。

图 5.3 隔离变压器简易图解

48

隔离变压器的作用主要有：隔离变压器由匝数之比为 1:1 的原、副线圈组成，原线圈在交流电源的作用下产

生磁场，而副线圈在磁场的作用下产生与原线圈电压相等的感应电动势，向系统供电[6]。隔离变压器具有良好

的低通滤波特性。当信号的频率大于截止频率时，呈现出较高的阻抗特性，抑制高频信号的传输；当信号频率大

于 0 且小于截止频率时，呈现低阻抗特性，对于信号的抑制作用很小；当信号的频率等于 0（直流信号）时，由

于电感存在通交流、阻直流的特性，导致直流信号无法顺利流过隔离变压器[7]。

8) 信号传输抗干扰措施

传感器在干扰信号的作用下产生异常信号，通过模拟量输入（AI）将异常信号传送至 PLC，导致其作出错

误的判断，严重影响系统的稳定运行。因此需要在模拟信号与 PLC 之间串接信号隔离器，利用信号隔离器将异

常信号过滤，提高系统的抗干扰能力。信号隔离器的原理图如下图 2 所示。

图 5.4 信号隔离器原理图

信号隔离器应用光电隔离技术，主要由二极管组成。信号隔离器输入端的二极管在 4～20mA 电流的作用下

发光，输出端的光敏二极管在接收到光信号后转换成电流输出。信号隔离器的实质是利用光为传播媒介，通过电

-光-电转换，利用信号隔离器实现了对输入侧和输出侧电流的隔离，避免了带干扰的电流信号直接向 PLC 的传输，

因而具有良好的抗干扰特性[8]。

9) 变频器输入侧抗干扰措施

由前文分析可知：整流环节中的非线性元件导致变频器的输入侧产生了大量的高频干扰信号，为了消除干扰信

号对系统的影响，提出在变频器的输入侧设置交流电抗器，利用高频信号阻抗较大的特性，抑制其对系统的干扰

作用。交流电抗器的原理图见下图 3。

图 5.5 交流电抗器原理图

10) 变频器输出侧抗干扰措施

变频器输出侧产生了大量的高频干扰信号（主要是谐波干扰），会导致三相异步电动机的损耗变大，使用寿

49

命降低。故而考虑在变频器的输出侧加装滤波磁环。

11) 系统电气结构设计改进措施

系统电气结构设计改进措施的总体思路是：控制柜与动力柜隔离，强弱电分离。具体措施如下：

将 PLC 等控制设备与变频器进行隔离，从干扰源头上预防变频器对控制设备的干扰[11];

应注意规范变频器的安装与选型，并对变频器进行定期检查[12];

强、弱电分离。通过合理的布线，将信号线与电源线分离，防止电源中附带的谐波影响信号的检测与传输。

4、 阀门

1) 电磁阀（直流可以驱动交流电磁阀）

电磁阀：是用来控制流体方向的自动化基础元件，属于执行器；通常用在机械控制和工业阀门上面，通过一个

电磁线圈来控制阀芯位置，切断或接通气源以达到改变流体流动方向的目的，来对介质方向进行控制，从而达到

对阀门开关的控制。

工作原理：在气动回路中，电磁控制换向阀的作用是控制气流通道的通、断或改变压缩空气的流动方向。主要工

作原理是利用电磁线圈产生的电磁力的作用，推动阀芯切换，实现气流的换向。

按电磁控制部分对换向阀推动方式的不同，可以分为直动式电磁阀和先导式电磁阀。直动式电磁阀直接利用

电磁力推动阀芯换向，而先导式换向阀则利用电磁先导阀输出的先导气压推动阀芯换向。

电磁阀结构：

电磁阀的基本结构：包括一个或几个孔的阀体。阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成，当线圈通电

或断电时，以达到改变流体方向的目的。电磁阀的电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成，动铁芯的运

转将导致流体通过阀体或被切断。

图 5.6 电磁阀结构

操作方式—电气（电磁线圈）：

50

图 5.7 电磁阀线圈操作方式

2) 球阀

球阀(ball valve ），启闭件（球体）由阀杆带动，并绕球阀轴线作旋转运动的阀门。亦可用于流体的调节与

控制，其中硬密封 V 型球阀其 V 型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强的剪切力，特别适用于含纤维、

微小固体颗料等的介质。而多通球阀在管道上不仅可灵活控制介质的合流、分流、及流向的切换，同时也可关闭

任一通道而使另外两个通道相连。本类阀门在管道中一般应当水平安装。球阀按照驱动方式分为：气动球阀，电

动球阀，手动球阀。

接线图如下

51

图 5.8 球阀接线图

3) 调节阀（接线、阀门调试、pid 调试）

调节阀又名控制阀，在工业自动化过程控制领域中，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作

去改变介质流量、压力、温度、液位等工艺参数的最终控制元件。一般由执行机构和阀门组成。如果按行程特点，

调节阀可分为直行程和角行程；按其所配执行机构使用的动力，可以分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀

三种；按其功能和特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。调节阀适用于空气、水、蒸汽、各种腐

蚀性介质、泥浆、油品等介质。英文名：control valve，位号通常 FV 开头。调节阀常用分类：气动调节阀，电动

调节阀，液动调节阀，自力式调节阀。

调节阀的阀体种类很多，常用的阀体种类有直通单座、直通双座、角形、隔膜、小流量、三通、偏心旋转、

蝶形、套筒式、球形等。

在具体选择时，可做如下考虑：

a) 阀芯形状结构

b) 主要根据所选择的流量特性和不平衡力等因素考虑。

c) 耐磨损性

d) 当流体介质是含有高浓度磨损性颗粒的悬浮液时，阀的内部材料要坚硬。

e) 耐腐蚀性

f) 由于介质具有腐蚀性，尽量选择结构简单阀门。

g) 介质的温度、压力

h) 当介质的温度、压力高且变化大时，应选用阀芯和阀座的材料受温度、压力变化小的阀门，当温度≥250℃

52

时应加散热器。

i) 防止闪蒸和空化

闪蒸和空化只产生在液体介质。在实际生产过程中，闪蒸和空化会形成振动和噪声，缩短阀门的使用寿命，

因此在选择阀门时应防止阀门产生闪蒸和空化。

接线图大致如下：

图 5.9 调节阀接线图

通常电动调节阀的调试需要 3 步，分别是行程调整，开度指示器调整，力矩调整。

PID 调节(PID regulating)经典控制理论中控制系统的一种基本调节方式. 是具有比例、积分和微分作用的一

种线性调节规律. 其中 Kp 为比例系数，Ti 为积分系数，Td 为微分系数。 加大比例系数 Kp 可以减小系统的静

差，但当 Kp 过大时，会使系统的动态品质变坏，引起被控量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。

5、 交流异步电机（包括风机、水泵）

1) 启动分类

a) 直接启动

容量小于 7KW；

容量小于变压器容量的 20%；

也可以用公式直接计算是否可以直接启动；

优点：结构简单，启动时间短；

缺点：对电网冲击很大。

b) 降压启动

优点：降低启动电流，使用轻载启动；

降压启动分为自耦变压器降压启动，星三角降压启动，软启动器及变频器

2) 接线

53

自耦变压器降压启动如下图

图 5.10 自耦变压器降压启动接线图

星三角降压启动如下图

图 5.11 星三角降压启动接线图

软启动器及变频器主回路如下图

54

图 5.12 软启动器主回路原理图

六、 通讯

1、 接口与协议

通讯协议为连接不同操作系统和不同硬件体系结构的互联网络提供通信支持，是一种网络通用语

言。如 modbus rtu、modbus ascii、modbus tcp 等。

通信接口是指中央处理器和标准通信子系统之间的接口。如 RS485、232、422 等。

两个设备只是通信协议相同，也不能互联互通。两台设备想要实现通信，必须具备以下两个条件：

1) 具有相同的设备接口，或者接口可以转成相同的接口。

2) 设备支持的相同的通信协议。

2、 常用接口

RS485、232、422、TCP，特点区别、传输距离及增加距离方法。

表 6-1 常用接口的特点和传输距离

特点 传输距离 增加距离的方法

RS485

接口信号电平相比于 RS-232 降低了，就不容易损

坏接口电路芯片。且与 TTL 电平兼容，方便与 TTL

电路连接。

数据最高传输速率为：10Mbps

在总线上只允许连接多达 128 个收发器。

最大传输距

离 标 准 值

4000 英尺，

实际上可达

3000 米

增加中继器及终

端电阻、光纤转

换器

RS232

接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。

任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。与 TTL

电平不兼容故需使用电平转换电路方能与 TTL 电

路连接。

传输速率较低，在异步传输时，比特率为 20Kbps。

抗噪声干扰性弱。

在总线上只允许连接一个收发器。

传输距离有

限，最大传

输距离标准

值为 50 英

尺，实际上

用在 15 米

左右。

采用变送器、光

纤转换器等

RS422

RS-422 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输

电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电

阻，即一般在 300 米以下不需终接电阻。终接电

阻接在传输电缆的最远端。

最大传输距

离 为 4000

英 尺 ， 约

1219 米

中继器及终端电

阻、光纤转换器

55

最大传输速率为 10Mb/s。

什么时候需要加终端电阻？

1) 通信速度低或者通信距离近的情况下建议不加终端电阻

通信速度低或者通信距离近的情况下，信号反射对通信信号的影响不大，而且不加终端电阻可以大大降低功耗，

并且通过加较大上下拉电阻值即可保证 RS-485 总线空闲时具有较高的差分电压幅值，提高了通信的可靠性。

2) 通信距离较长且通信速度较快，对信号质量要求较高的情况

此时可以增加终端电阻，防止阻抗突变引起的信号反射问题，提高信号质量，但应确保在总线空闲时总线的差分

电压不处于门限电平范围内。

3) 对功耗有要求且通信距离较长的情况

一般在一个位的中间时间对信号进行采样，由于低通信速度的情况下，每一个位的时间较长，所以在到达采样点

时反射信号已被消耗掉，对通信已无影响。RSM485ECHT 在 1200m 9600bps 不加终端电阻首端和末端的波形如

图 8 和图 9 所示，可以看出反射信号在到达每一个位中间前就已经被消耗掉了。

所以对 RS-485 的收发器的功耗有较高要求且通信距离较长的应用，应适当降低通信的速度。

由于 RS-485 是在 RS-422 基础上发展而来的，因此 RS-485 很多电气设备要求与 RS-422 差不多。如都选用

均衡传输方式、都必须在传输线里接接电阻器等。

因 RS-485 接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因

为 RS485 接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以 RS485 接口均采用屏蔽双绞线传输。

RS-485 与 RS-422 的不一样还取决于其共模輸出工作电压是不一样的，RS-485 是-7V 至+12V 中间，而 RS-422

在-7V 至+7V 中间。因此，RS-485 的控制器能够用在 RS-422 互联网中运用。

RS485 连接多台设备进行通讯

RS-422 可支持 10 个节点，RS-485 支持 32 个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的总

线型结构，不支持环形或星形网络。因此在构建网络时，应注意这几个方面：

1) 采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使

引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。

2) 应注意总线特性阻抗的连续性，提供一条单一、连续的信号通道作为总线，避免在阻抗不连续点时发生

信号反射的情况。

RS-422 与 RS-485 在传输线上的区别

56

图 6-1 485 和 422 的区别

3、 常用协议

1) Modbus 协议之间的区别

表 6-2 Modbus3 种协议的区别

接口方式 连接方式 传输方式

Modbus RTU RS485 1)从机地址；2)功能

码；3)数据；4)校验

码。采用一问一答式

通讯方式

串口

Modbus ASCII 多用于计算机领域 串口

Modbus TCP RS232、RS422、

RS485 和以太网接

口

master/slave 以太网

a) Modbus ASCII

图 6-2 Modbus ASCLL 的功能

57

b) Modbus RTU

图 6-3 Modbus RTU 的功能

c) Modbus TCP

MODBUS/TCP 使 MODBUS_RTU 协议运行于以太网，MODBUS TCP 使用 TCP/IP 和以太网在站点间

传送 MODBUS 报文，MODBUS TCP 结合了以太网物理网络和网络标准 TCP/IP 以及以 MODBUS 作为应用

协议标准的数据表示方法。MODBUS TCP 通信报文被封装于以太网 TCP/IP 数据包中。与传统的串口方式，

MODBUS TCP 插入一个标准的 MODBUS 报文到 TCP 报文中，不再带有数据校验和地址。

Modbus TCP 的数据帧：Modbus TCP 的数据帧可分为两部分：MBAP+PDU。

MBAP 为报文头，长度为 7 字节，组成如下：

表 6-3 报文组成

事务处理标识 协议标识 长度 单元标识符

2 字节 2 字节 2 字节 1 字节

表 6-4 报文的解释

内容 解释

事务处理标识 可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加 1 以区别不同的

通信数据报文

协议标识 00 00 表示 Modbus TCP 协议

长度 表示接下来的数据长度，单位为字节

单元标识符 可以理解为设备地址

帧结构 PDU

PDU 由功能码+数据组成。功能码为 1 字节，数据长度不定，由具体功能决定。

功能码

Modbus 的操作对象有四种：线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器。

58

表 6-5 操作对象的含义

对象 含义

线圈 PLC 的输出位，开关量，在 Modbus 中可读可写

离散量 PLC 的输入位，开关量，在 Modbus 中只读

输入寄存器 PLC 中只能从模拟量输入端改变的寄存器，在 Modbus 中只读

保持寄存器 PLC 中用于输出模拟量信号的寄存器，在 Modbus 中可读可写

根据对象的不同，Modbus 的功能码有：

表 6-6 功能码的应用

功能码 代码 中文名称 英文名 位操作/字操

作

操作数量

0x01 01 读线圈状态 READ COIL STATUS 位操作 单个或多个

0x02 02 读离散输入

状态

READ INPUT

STATUS

位操作 单个或多个

0x03 03 读保持寄存

器

READ

HOLDINGREGISTER

字操作 单个或多个

0x04 04 读输入寄存

器

READ INPUT

REGISTER

字操作 单个或多个

0x05 05 写线圈状态 WRITE SINGLE COIL 位操作 单个

0x06 06 写单个保持

寄存器

WRITE

SINGLEREGISTER

字操作 单个

0x0F 15 写多个线圈 WRITE MULTIPLE

COIL

位操作 多个

0x10 16 写多个保持

寄存器

WRITE

MULTIPLEREGISTER

字操作 多个

0x01：读线圈

在从站中读 1~2000 个连续线圈状态，ON=1,OFF=0

请求：MBAP 功能码 起始地址 H 起始地址 L 数量 H 数量 L（共 12 字节）

响应：MBAP 功能码 数据长度 数据（一个地址的数据为 1 位）

如：在从站 0x01 中，读取开始地址为 0x0002 的线圈数据，读 0x0008 位

59

00 01 00 00 00 06 01 01 00 02 00 08

回：数据长度为 0x01 个字节，数据为 0x01，第一个线圈为 ON，其余为 OFF

00 01 00 00 00 04 01 01 01 01

0x05：写单个线圈

将从站中的一个输出写成 ON 或 OFF，0xFF00 请求输出为 ON,0x000 请求输出为 OFF

请求：MBAP 功能码 输出地址 H 输出地址 L 输出值 H 输出值 L（共 12 字节）

响应：MBAP 功能码 输出地址 H 输出地址 L 输出值 H 输出值 L（共 12 字节）

如：将地址为 0x0003 的线圈设为 ON

00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00

回：写入成功

00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00

0x0F：写多个线圈

将一个从站中的一个线圈序列的每个线圈都强制为 ON 或 OFF，数据域中置 1 的位请求相应输出位 ON，置 0 的

位请求响应输出为 OFF

请求：MBAP 功能码 起始地址 H 起始地址 L 输出数量 H 输出数量 L 字节长度 输出值 H 输出值 L

响应：MBAP 功能码 起始地址 H 起始地址 L 输出数量 H 输出数量 L

0x02：读离散量输入

从一个从站中读 1~2000 个连续的离散量输入状态

请求：MBAP 功能码 起始地址 H 起始地址 L 数量 H 数量 L（共 12 字节）

响应：MBAP 功能码 数据长度 数据（长度：9+ceil（数量/8））

如：从地址 0x0000 开始读 0x0012 个离散量输入

00 01 00 00 00 06 01 02 00 00 00 12

回：数据长度为 0x03 个字节，数据为 0x01 04 00，表示第一个离散量输入和第 11 个离散量输入为 ON，其余为

OFF

00 01 00 00 00 06 01 02 03 01 04 00

0x04：读输入寄存器

从一个远程设备中读 1~2000 个连续输入寄存器

60

请求：MBAP 功能码 起始地址 H 起始地址 L 寄存器数量 H 寄存器数量 L（共 12 字节）

响应：MBAP 功能码 数据长度 寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)

如：读起始地址为 0x0002，数量为 0x0005 的寄存器数据

00 01 00 00 00 06 01 04 00 02 00 05

回：数据长度为 0x0A，第一个寄存器的数据为 0x0c，其余为 0x00

00 01 00 00 00 0D 01 04 0A 00 0C 00 00 00 00 00 00 00 00

0x03：读保持寄存器

从远程设备中读保持寄存器连续块的内容

请求：MBAP 功能码 起始地址 H 起始地址 L 寄存器数量 H 寄存器数量 L（共 12 字节）

响应：MBAP 功能码 数据长度 寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)

如：起始地址是 0x0000，寄存器数量是 0x0003

00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03

回：数据长度为 0x06，第一个寄存器的数据为 0x21，其余为 0x00

00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00

0x06：写单个保持寄存器

在一个远程设备中写一个保持寄存器

请求：MBAP 功能码 寄存器地址 H 寄存器地址 L 寄存器值 H 寄存器值 L（共 12 字节）

响应：MBAP 功能码 寄存器地址 H 寄存器地址 L 寄存器值 H 寄存器值 L（共 12 字节）

如：向地址是 0x0000 的寄存器写入数据 0x000A

00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A

回：写入成功

00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A

0x10：写多个保持寄存器

在一个远程设备中写连续寄存器块（1~123 个寄存器）

请求：MBAP 功能码 起始地址 H 起始地址 L 寄存器数量 H 寄存器数量 L 字节长度 寄存器值（13+寄存器数

量×2）

响应：MBAP 功能码 起始地址 H 起始地址 L 寄存器数量 H 寄存器数量 L（共 12 字节）

如：向起始地址为 0x0000，数量为 0x0001 的寄存器写入数据，数据长度为 0x02，数据为 0x000F

61

00 01 00 00 00 09 01 10 00 00 00 01 02 00 0F

回：写入成功

00 01 00 00 00 06 01 10 00 00 00 01

2) TCP

TCP 是一种面向广域网的通信协议，目的是在跨越多个网络通信时，为两个通信端点之间提供一条

具有下列特点的通信方式：

a) 基于流的方式；

b) 面向连接；

c) 可靠通信方式；

d) 在网络状况不佳的时候尽量降低系统由于重传带来的带宽开销；

e) 通信连接维护是面向通信的两个端点的，而不考虑中间网段和节点。

3) CAN 总线

如何长距离传输 CAN 总线数据？

CAN 总线通信波特率和传输距离的理论对应关系。

图 6-4 波特率和长度的关系

从上表中可以看到，CAN 总线理论最远通信距离可达 13Km，但是在波特率只有 5K 的前提下，带宽比较小，

无法在数据量较大的系统中使用，这时如果还想无损的延长 CAN 总线传输距离，那么我们需要使用 CAN 光纤

中继器来延长通信距离，CAN 光纤中继器是将 CAN 信号转换成光纤信号，然后通过光导纤维进行信号传输。由

于是将电信号转成了光信号，而光信号的传播速度是远大于电信号的，所以使用这种方法传输 CAN 总线数据就

没有了通信波特率的限制，而且也不会出现信号被干扰的问题，通信距离最远可达 10~20km，这个距离已经几乎

可以能满足 99%的需要长距离通信的客户需求了。

CAN 总线终端电阻的作用有 3 个：

62

a) 提高抗干扰能力，让高频低能量的信号迅速走掉；

b) 确保总线快速进入隐性状态，让寄生电容的能量更快走掉；

c) 提高信号质量，放置在总线的两端，让反射能量降低。

图 6-5 CAN 光纤中继器

4) CAN 协议

协议概括

控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使

用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN 协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，

以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN 协议的特性包

括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达 1Mb/s、同时具有 11 位的寻址以及检错能力。

图 6-6 CAN 协议连接方式

63

大部分的 Profibus 电缆长这样，通过它的紫色外皮很好辨认。

图 6-7 profibus 的电缆外观

5) Profibus DP

在今天，Profibus-DP 在工业自动化中是最通用的协议之一，Profibus 代表“Process Field Bus”，即“过

程现场总线”，DP 代表“Decentralized Peripherals”，即“分布式外围设备”。

假如我们在工业现场有大量的传感器和执行器，然后我们想要将它们连接到 PLC 的 IO 模块上，但是现场

距离控制室很远，比如几千米，要做到这一点，如果我们用单独的线将这些传感器连接到 PLC 上，如下

图所示，那么最终就会产生大量的线缆并增加系统的安装成本。

图 6-8 连接图

在上图中，我们的 IO 模块放在 CPU 旁边，而如果我们采用 Profibus-DP 的方式如下图，接线就会发生改

变，我们在现场靠近传感器的位置划出一片区域放置机柜，将 IO 模块移至其中，然后将传感器与 IO 模

块相连，为了让 IO 模块能够与控制室的 CPU 进行数据传输，我们需要在 IO 模块前面安装 IM 模块（接

64

口模块），接下来我们就能使用 Profibus-DP 和 RS-485 线来传输数据。使用 RS-485 能减少线缆成本，同

时由于它传输的是数字量，与模拟量相比受工业现场环境的影响比较小，因此控制器与现场区域的数据

传输更加稳定。

图 6-9 连接图

但是它也存在一些缺点，由于我们使用单个 RS-485 线缆进行通讯，如果它出现问题，我们将丢失所

有来自现场设施的数据，为了预防这种情况，我们有以下措施：

将一些主要设备直接与控制室的 PLC 相连，将其余信号通过 Profibus-DP 传递，这样即使 RS-485 出现问

题，主要的设备信息依然可以传递到控制室。

图 6-10 连接图

另一种方法是使用冗余网络，我们使用两根 RS-485 来连接分布式 I/O 和 PLC，在这种情况下，即使其中

用于传输数据的那根线出了问题，剩下的那根线就会担负起传输数据的任务。

65

图 6-12

接下来做个总结，以前 PLC 的 I/O 模块是集中布置的，但通过在主控制器和 I/O 模块之间引入网络

总线，我们将 I/O 分散到现场区域的机柜中。这就是为什么 Profibus 后有 DP（Decentralized Peripherals）

这个后缀，我们通常将“分布式外围设备”叫做“分布式 I/O”（Remote I/O）。

在一个 Profibus 网络中，应该保证在网络的两个终端各有一个终端电阻，两端的设备开关需要拨到

ON 的位置上，否则 Profibus 总线与终端电阻将会出现不匹配的情况，可能导致通信问题。

6) Profinet

PROFINET 是什么

PROFINET 是针由 PI 推出的一种开放式的工业以太网标准，主要用于工业自动化和过程控制领域，

符合 IEEE 802.3 规范下的内容，具备自动协商、自动交叉的功能。

它是一种基于以太网的技术，因此具有和标准以太网相同的一些特性如全双工、多种拓扑结构等，其速

率可达百兆或千兆。另外它也有自己的独特之处，如：能实现实时的数据交换，是一种实时以太网；与

标准以太网兼容，可一同组网；能通过代理的方式无缝集成现有的现场总线等。

图 6-13 协议间的对比

66

七、 信号抗干扰

6、 信号传输媒介

1） 双绞线、屏蔽线、屏蔽双绞线

U/UTP 双绞线：即通常所说的 UTP 双绞线，非屏蔽双绞线；

F/UTP 双绞线：总屏蔽层为铝箔屏蔽，没有线对屏蔽层的屏蔽双绞线；

U/FTP 双绞线：没有总屏蔽层，线对屏蔽为铝箔屏蔽的屏蔽双绞线；

SF/UTP 双绞线：总屏蔽层为丝网＋铝箔的双重屏蔽，线对没有屏蔽的双重屏蔽双绞线；

S/FTP 双绞线：总屏蔽层为丝网，线对屏蔽为铝箔屏蔽的双重屏蔽双绞线。

a) F/UTP 屏蔽双绞线

铝箔总屏蔽屏蔽双绞线（F/UTP）是最传统的屏蔽双绞线，主要用于将 8 芯双绞线与外部电磁场隔离，对线对

之间电磁干扰没有作用。

F/UTP 双绞线在 8 芯双绞线外层包裹了一层铝箔。即在 8 根芯线外、护套内有一层铝箔，在铝箔的导电面上铺

设了一根接地导线。

F/UTP 双绞线主要用于五类、超五类，在六类中也有应用。

b) U/FTP 屏蔽双绞线

线对屏蔽双绞线（U/FTP）的屏蔽层同样由铝箔和接地导线组成，所不同的是：铝箔层分有 4 张，分别包裹 4

个线对，切断了每个线对之间电磁干扰途径。因此它除了可以抵御外来的电磁干扰外，还可以对抗线对之间的电

磁干扰（串扰）。

U/FTP 线对屏蔽双绞线来自 7 类双绞线，目前主要用于六类屏蔽双绞线，也可以用于超 5 类屏蔽双绞线。

c) SF/UTP 屏蔽双绞线

SF/UTP 屏蔽双绞线的总屏蔽层为铝箔＋铜丝网，它不需要接地导线作为引流线：铜丝网具有很好的韧性，不

易折断，因此它本身就可以作为铝箔层的引流线，万一铝箔层断裂，丝网将起到将铝箔层继续连接的作用。

SF/UTP 双绞线在 4 个双绞线的线对上，没有各自的屏蔽层。因此它属于只有综屏蔽层的屏蔽双绞线。

d) S/FTP 屏蔽双绞线

S/FTP 屏蔽双绞线属于双重屏蔽双绞线，它是应用于 7 类屏蔽双绞线的线缆产品，也用于六类屏蔽双绞线。

什么时候使用屏蔽双绞线？

频率小于 100Hz

什么时候使用屏蔽线？

在信号传输问题上。

何时需要使用屏蔽线缆？

67

屏蔽？还是不屏蔽？——这是一个问题。屏蔽线缆或非屏蔽线缆的选择主要取决于具体应用需求。下文中，我们

将对决定是否应该使用屏蔽线缆时需要考虑的若干因素进行详细描述。

屏蔽

首先，安装区域周围的电气环境是一个重要考虑因素。如果网络设备或线缆离能够产生较大电磁或射频干扰

（EMI/RFI）的机器、电机、电源线、荧光灯等电子设备较近的话，通过屏蔽能够保护数据免受电磁干扰影响，

从而提高传输速度并减少数据传输错误。

此外，屏蔽线缆在针对外部串扰（AXT）的保护方面也优于非屏蔽线缆。外部串扰是指附近的其他线缆对当前线

缆造成的串扰，有时处于连接状态下的附近设备也可造成外部串扰。

为了最大程度地降低电磁和射频干扰的影响，屏蔽系统中的每一部件必须无缝，而且必须得到正确的安装和维护。

此外，屏蔽线缆和系统还需要良好的接地。不正确的接地方式可导致系统发生辐射和干扰问题。

非屏蔽

当不涉及在 EMI/RFI 干扰源附近布线时，多数情况下应选择非屏蔽线缆。非屏蔽线缆具有质量轻、柔性高、用

途广、可靠、价格低等优点，并广泛用于 IT 应用和办公网络。

然而，需要注意的一点是，当企业网络或 SMB 网络希望在铜线上实现 10Gbps 或 40Gbps 等高数据速率时，使用

屏蔽线缆可大幅降低或甚至消除对网络性能有害的外部串扰（AXT）。这一问题主要针对使用超 6 类线缆的高速

网络，不涉及使用超 5 类和 6 类线缆的低速 10/100/1000 网络。

由此可见，选择何种类型的线缆取决于网络的物理位置和所采用的技术（如 10BASE-T）。最佳的做法是，先对

安装地点和网络技术要求进行彻底评估，然后针对具体规格需求，选定合适的线缆。

2） 网线

分类

a) 五类网线：标志为“CAT.5”，传输带宽为 100MHZ，用以语音和最高传输速率为 100MBPS 数据传输，如

今运用已经比较少，基本上被超五类网线替代。

b) 超五类网线：标志为“CAT.5E”，传输频率为 100MHz，主要运用于百兆或千兆以太网，千兆比较凑合，

只建议较短距离传输，规范的线才能实现，远距离传输千兆也许会产生不稳定的状况。

c) 六类网线：标志为“CAT.6”，传输带宽为 250MHZ，主要运用于千兆以太网，提供于 2 倍于超 5 类的带

宽，适用于传输速率 1Gbps 的运用，是如今公司综合布线中运用最常见的一种。

d) 超六类网线：标志为“CAT.6A”，优化后的六类网线，主要运用于万兆位网络中。传输频率为 500MHZ，

最大传输速率可达 10Gbps，外界串扰等方面有很大的改进。

e) 七类网线：标志为“CAT.7”,传输速率至少可达 600MHZ，可提供至少 500MHZ 的综合衰减对串扰比和

600MHZ 总体带宽，传输速率可达 10Gbps。为了适用万兆网以太网技术的运用和发展，七类网线所有

68

为带屏蔽网线。

网线质量电阻测量法

不同的材质电阻值也会不同，注意测量时保证测量的是相同芯网线，也就是色调同样，绝大多数网线每箱为 305

米，那咱们就以三百米左右网线长度进行估算电阻值。

超五类无氧铜的单芯规范阻值为 28 欧姆上下。

六类无氧铜的单芯规范阻值为 21~23 欧姆。

超五类铜包铝的单芯规范阻值为 85 欧姆上下。

超五类铁的单芯规范阻值为 170 欧姆。

一样长度一样线径线缆：铁的电阻值是铜的 7 倍上下，铝是铜的 1.7 倍上下。如果三百米超五类或六类网线测量

电阻值超过 30 欧姆，那就是非无氧铜（铜包铝、铜包铁）或是线径较细。

3） 光纤

分类

多模光纤：可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加

严重。

单模光纤：只能传一种模式的光，因此其模间色散很小，适用于远程通讯。

单模光纤和多模光纤对比：

表 7-1 单模和多模光纤的对比

对比 多模 单模

光纤成本 昂贵 不太昂贵

传输设备 基本的，成本低 更昂贵(激光二吸管)

衰减 高 低

传输波长 850nm 到 13000m 1260nm 到 16500m

使用 芯径更大，易于处理 连接更复杂

距离 本地网络(<2km) 接入网中等距高/长距商网

络(>20km)

带宽 有限的带宽 几乎无限带宽

结论 光纤更昂贵，单是网络开通

相对不昂贵

提供更高的性能，但是建立

网络昂贵

69

表 7-2 多模光纤和单模光纤的应用

ITU 标

准

光纤类型 名称 适用场合

G.651 多模 多模光纤 适合光波波长为 8500/1310nm 短距离传送(以太网，

局域网)

G.652 单模 色散非位移

单模光纤

适合光波波长为 13100m-1550m (接入网)。常规单模

光纤。适用光纤到户、长途、 城城网。

G.653 单模 色散位移光

纤

适合光波波长为 1550nm 长距离传送(主干网，海底

光缆) ,很快退出历史舞台。

G.654 单模 截止波长位

移光纤

适合光波波长为 1550nm 长距离传送(海底光缆，不

支持 DWDM)，5G 承载网

G.655 单模 非零色散位

移光纤

适合光波波长为 1550nm 长距离传送(主干网，海底

光锡，支持 DWDM)。后期或仅用于长途线路的维

护

G.656 单模 低斜率非零

色散位移光

纤

非零色散位移光纤的一 种，对于色散的速度有严格

的要求，确保了 0WDM 系统中更大波长范围内的传

输性能。量产可散位移光纤

G.657 单模 耐穹光纤 根据 FTTx 技术的需求及组装应用而生的新产品。

G 657 光纤是为了实现光纤到户的目标，在 G 652

光纤的基础上开发的最新的一个光纤品种。更近用

于实现 FTTH 的信息传送。适合安装在室内或大楼

等狭窄的场所。

光纤尾纤

尾纤的分类：

同光纤跳线一样，尾纤也分为单模尾纤和多模尾纤。它们两者在色彩、波长以及传输间隔方面有必定的差异。一

般来说，多模尾纤为橙色，作业波长为 850nm，传输间隔在 500m 左右；单模尾纤色彩为黄色，作业波长为 1310m

或 1550m，它可以传输的间隔较长，为 10—40km 左右。别的，依据光纤芯数的不同，尾纤又可以分为单芯尾纤、

4 芯尾纤、6 芯尾纤、8 芯尾纤、12 芯尾纤、24 芯尾纤等。

常用的尾纤类型：

FC-SC 类型，也就是一般所的圆转方的尾纤。FC 衔接 ODF 盒，SC 衔接设备的光口。这种光纤衔接器在前期的

70

SBS 和 Optix 设备中运用较多。

FC-FC 类型，俗称圆转圆的尾纤。一般用做 ODF 架之间的跳纤。

SC-SC 类型，俗称方转方尾纤，一般用在设备之间光板的衔接。

SC-LC 类型，LC 接口俗称小方头尾纤，归于卡接式接头。现在华为 OSN 系列设备，中兴 S 系列设备，包含前

期朗讯的波分设备，都是用的这种光纤衔接器。

LC-LC 类型，一般用在波分设备之间的内部连纤中，这个运用比较少。

MPO 光线缆：

MPO 属于多模光纤。通过 ISO 11801 标准标识，多模光缆可分为 OM1 光纤，OM2 光纤，OM3 光纤，OM4 光纤

和新发布的 OM5 光纤其中，OM1 支持最大值为 1GB 的以太网传输，OM3 和 OM4 通常用于在数据中心的布线

环境，支持 10G/40G/100G 高速以太网的传输。OM5 则在 0M4 的基础上拓宽带宽通道，为 100Gb/s 和 400Gb/s

波长提供解决方案。

OM5 光纤主要具有三大优势：

极强的扩展性。OM5 光纤跳线可以将短波波分复用和并行传输技术结合在一起，并且只需要 8 芯宽带多模光纤，

就能够支持 200/400G 以太网应用；

有效降低建设运营成本。OM5 光纤跳线借鉴了单模光纤的波分复用技术，延展了网络传输时的可用波长范围，

能够在 1 芯多模光纤上支持 4 个波长，很大程度上降低了网络的布线成本；

在兼容性和互操作性方面优势明显。能够和 OM3 光纤跳线和 OM4 光纤跳线一样支持传统应用，和传统的 OM3

和 OM4 光纤跳线能够完全兼容，互操作性极强。在 400G 时代，OM5 多模光纤应用前景广阔，即使在低速率设

备向高速率设备升级迭代的过程中也能有不俗的表现。

OM1 电缆通常带有橙色护套，芯线大小为 62.5 微米（µm）。它可以支持长达 33 米的 10 Gb 以太网。它最常用于

100 兆位以太网应用。

OM2 的建议外套颜色为橙色。其核心尺寸为 50µm，而不是 62.5µm。它支持长度达 82 米的 10 Gb 以太网，但更

常用于 1 Gb 以太网应用。

OM1 和 OM2 都可以与基于 LED 的设备一起使用，该设备可以沿电缆发送数百种模式的光。

OM3 的建议外套颜色为水蓝色。与 OM2 一样，其核心尺寸为 50µm，但该电缆针对使用较少光模的基于激光的

设备进行了优化。作为优化的结果，它能够运行长达 300 米的 10 Gb 以太网。自从问世以来，生产技术已经提高

了 OM3 的整体功能，使其能够与 40 米和 100 米以内的 100 Gb 以太网（最长 100 米）一起使用。10 Gb 以太网

是其最常见的用途。

OM4 与 OM3 光纤完全向后兼容，并共享相同的独特防水外套（水蓝色）。OM4 是专门为 VSCEL 激光传输而开

发的，与 OM3 的 300M 相比，其 10 Gig / s 的链路距离可达 550m。利用 MPO 连接器，它可以在 150 米内运行

40 / 100GB。

71

OM4 光纤常与 40G-SR4-OSFP+或者 100GBASE-SR4-OSFP28 等配合使用。

OM5 光纤，也称为 WBMMF（宽带多模光纤），是最新的多模光纤，向后兼容 OM4。它具有与 OM2，OM3 和

OM4 相同的核心大小。OM5 纤维外套的颜色为（**Lime Green，水绿色）。它被设计并指定为通过 850-953 nm

窗口支持至少四个 WDM 通道，每个通道的最小速度为 28Gbps。

OM5 光纤在 40G SWDM4 网络中可以达 440m 距离，在 100G SWDM4 网络中可传输 150m。

如果数据中心使用的是不符合 IEEE 标准的 100G-SWDM4 收发器，则证明 OM5 可以支持 150 米的距离，仅比

OM4 多 50 米。

布线的成本将比 OM4 高出约 50％

物理方面差异:

物理差异主要在于真径。护套颜色。光源和带宽，如下表所述。

表 7-3 物理差异

MMF 电场类型 直径 外套颜色 光源 带宽

OM1 62.5/ 125 微米 橙色 发光二极管 200MHz*公里

OM2 50/125 微米 橙色 发光二极管 500MHz*公里

OM3 50/125 微米 水蓝色 VSCEL 2000MHz*公里

OM4 50/125 微米 水蓝色 VSCEL 4700MHZ*公里

OM5 50/125 微米 水绿色 VSCEL 2000MHz*公里

实际差异:

多模光纤能够以各种数据速率传输不同的距高范围。可以根据实际应用选择最合适的一种。下面指定了不同数据

速率下的最大多横光纤距离比较。

表 7-4 不同距离的比较

MMF 电场类

型

快速以太网 1GbE 10GbE 40GbE 100GbE

OM1 2000m 275m 33m / /

OM2 2000m 550m 82m / /

OM3 2000m / 300m 100m 70m

OM4 2000m / 550m 150m 150m

OM5 / / 550m 150m 150m

7、 屏蔽

首先，安装区域周围的电气环境是一个重要考虑因素。如果网络设备或线缆离能够产生较大电磁或射频干扰

（EMI/RFI）的机器、电机、电源线、荧光灯等电子设备较近的话，通过屏蔽能够保护数据免受电磁干扰影响，

72

从而提高传输速度并减少数据传输错误。

此外，屏蔽线缆在针对外部串扰（AXT）的保护方面也优于非屏蔽线缆。外部串扰是指附近的其他线缆对当

前线缆造成的串扰，有时处于连接状态下的附近设备也可造成外部串扰。

为了最大程度地降低电磁和射频干扰的影响，屏蔽系统中的每一部件必须无缝，而且必须得到正确的安装和

维护。此外，屏蔽线缆和系统还需要良好的接地。不正确的接地方式可导致系统发生辐射和干扰问题。

非屏蔽

当不涉及在 EMI/RFI 干扰源附近布线时，多数情况下应选择非屏蔽线缆。非屏蔽线缆具有质量轻、柔性高、

用途广、可靠、价格低等优点，并广泛用于 IT 应用和办公网络。

然而，需要注意的一点是，当企业网络或 SMB 网络希望在铜线上实现 10Gbps 或 40Gbps 等高数据速率时，

使用屏蔽线缆可大幅降低或甚至消除对网络性能有害的外部串扰（AXT）。这一问题主要针对使用超 6 类线缆的

高速网络，不涉及使用超 5 类和 6 类线缆的低速 10/100/1000 网络。

由此可见，选择何种类型的线缆取决于网络的物理位置和所采用的技术（如 10BASE-T）。最佳的做法是，

先对安装地点和网络技术要求进行彻底评估，然后针对具体规格需求，选定合适的线缆。

网线的屏蔽方式

UTP：UnshieldedTwistedPair，非屏蔽双绞线

FTP：FoilTwistedPair，铝箔屏蔽双绞线

STP：ShieldedTwistedPair，独立屏蔽双绞线

SFTP：ShieldedFoilTwistedPair，双屏蔽双绞线

ASTP：ArmourShieldedTwistedPair，铠装型双绞屏蔽网线

8、 强弱电工艺

强电指的是电力系统的电，比如 220V 的照明电和 1000 多伏的工业用电，特点是电压高、频率低、电流大。

主要指的是电视、空调、照明灯线路等线缆。

弱电指的是传递信号所需要的电流和电压，特点是电流小、频率高、电压小。主要指的是电话线、网络线和监控

线等线缆。

1) 强电对弱电的影响

强电对弱电造成干扰危害表现为：轻者影响质量，电话回路中杂音增大，信息失真和误码率增多等；重者则危及

通讯设备和人身 安全 。 如通讯设备绝缘击穿，机房着火，人员伤亡以及导航指挥信号错乱或误动而导致失误

发生事故等。 强电和弱电从概念上讲，一般是容易区别的，主要区别是用途不同。 强电是用作一种动力能源，

弱电是用于信息传递。 轻者影响质量，电话回路中杂音增大，信息失真和误码率增多等。 重者则危及通讯设备

和人身安全。

73

由于强电线传输的是交流电源动力，会有较强的干扰谐波，周围有强磁场，弱电容易被强电磁场影响而导致弱电

信号有杂音或者中断的情况。在布线的时候注意强弱电布线不能太近，

网线主要传输网络信号， 如果受到强电干扰，对网线的传输距离会产生一定的影响，效率慢，衰减大或者直接

中断信号传输。

如果无法避免强电磁的干扰，网线可以选择屏蔽网线，来防止信号遭到强电干扰的影响。

在平时布线中，应该注意强电和弱电的布置问题，尽量分开布线。弱电和强电一定要使用分线槽，且平行走线。

一般的原则是强电在上，弱电在下，平行布线，尽量避免交叉的情况。

国际标准布线中，通常两者要间隔 50CM 左右，而在实际布线中可以只隔 30CM 左右。如果实在情况不允许过

大的间隔距离，可以采取屏蔽线或者铁管来进行布线。

电源线的插座和弱电插座最好可以隔开 50CM，电线和暖气管道。煤气管道等要隔开 30CM 左右。

在同个空间内的电源、电话、电视等插座高度一致，强电和弱电应该有单独的配电箱和漏电保护器。

信号线、数据线和电源线要在各自的槽管中平直，不要有打结和扭曲的现象。信号线和视频线中间不要有端接点，

电源线一般也不要有接续点。

2) 下线及剥线

导线加工应遵照本章工艺及相关联的工艺执行。

一次回路应选用聚氯乙烯阻燃导线，截面不应小于 2.5mm²。

根据布线路径，测量下线的长度，下线的长度比实际测量的线路，长出约 100~150mm，以防导线绑扎弯曲后长

度不够。

导线弯曲

使用 BV 导线时，线端应根据元件接点进行对折或弯曲成圆形，弯曲直径应大于紧固螺钉直径 0.5~1mm，弯曲方

向与螺钉紧固旋转方向一致，导线绝缘层距平垫间距可为 1~2mm；当连接元件端子为瓦型垫圈时，应采用对折

方法连接，不应剥出绝缘层后直接压接到元件接点内。

导线应按在产品中的实际位置和走向，捆扎成线束进行弯曲；导线或线束弯曲内半径，应不小于导线绝缘外径的

2~3 倍。

在加工风力发电电容柜要求绕圈时，电容端一次导线绕圈一般应为 3~5 圈，按直径 30mm~35mm 的圆缠绕，并

用扎带平均扎开三段，能起到抗谐波的作用。

线束或导线的弯曲，不得使用尖嘴钳等棱角工具，宜用手指或圆嘴钳进行弯曲，保证导线的绝缘不受损伤。

3) 二次导线选择

a) 辅助二次回路，应选用聚氯乙烯阻燃多股软铜导线（BVR 或 RV）。

b) 通常辅助电路中，电压回路、控制回路导线截面积应选用 1.5mm2，电流回路应选用 2.5mm2。

74

c) 二次导线压接端子，应为冷压预绝缘端子。

d) 对于电子元件回路或其它弱电回路应采用冷压或焊锡连接时，在满足载流量和机械强度下，可以使用

0.75mm2 的绝缘导线。

e) 对于塑壳开关的线圈或辅助接点，本身有引线的应使用本身的引线加过渡端子，按要求选择导线线径。

f) 对于塑壳开关的线圈或辅助接点，本身无引线、无要求且接线空间不允许的情况下，二次导线可以使用

1.0mm2 的 BVR 或 RV 绝缘导线。

g) 二次控制回路导线无要求时，应选用黑色导线，接地线应为黄绿双色导线。

75

八、 浪涌保护

1. 浪涌保护器的选择

电源线路浪涌保护器的选择应符合下列规定:

1) 配电系统中设备的耐冲击电压额定值可按表 5.4.3-1 规定选用。

表 8-1 220V/380V 三相配电系统中各种设备耐冲击电压额定值 Uw

设备位置 电源进线端设

备

配电分支线路

设备

用电设备 需要保护的电

子信息设备

耐冲击电压类

别

IV 类 Ⅲ类 Ⅱ类 I 类

Uw (kV) 6 4 2.5 1.5

2) 浪涌保护器的最大持续工作电压 Uc 不应低于下表规定的值。

表 8-2 浪涌保护器的最小 Uc 值

浪涌保护器

安装位置

配电网络的系统特征

TT 系统 TN-C 系统 TNS 系统 引出中性线

的 IT 系统

无中性线引

出的 IT 系统

每一相线与

中性线间

1. 15U。 不适用 1. 15U。 1. 15U。 不适用

每一相线与

PE 线间

1. 15U。 不适用 1. 15U。 √3 U。* 线电压*

中性线与 PE

线间

U。* 不适用 U。* U。* 不适用

每一相线与

PEN 线间

不适用 1. 15U。 不适用 不适用 不适用

注: 1 标有*的值是故障下最坏的情况，所以不需计及 15%的允许误差:

2 Uo 是低压系统相线对中性线的标称电压。即相电压 220V; .

3 此表适用于符合现行国家标准《低压电涌保护器(SPD) 第 1 部分:低压配电系统的电涌保护器性能要求 和

试验方法》GB 18802 1 的浪涌保护器产品。

76

3) 进入建筑物的交流供电线路，在线路的总配电箱等 LPZ0A 或 LPZ0B 与 LPZ1 区交界处，应设置Ⅰ类试验

的浪涌保护器或Ⅱ类试验的浪涌保护器作为第一级保护;在配电线路分配电箱、电子设备机房配电箱等

后续防护区交界处，可设置Ⅱ类或Ⅲ类试验的浪涌保护器作为后级保护；特殊重要的电子信息设备电源

端口可安装Ⅱ类或Ⅲ类试验的浪涌保护器作为精细保护(图 5.4.3- 1)。使用直流电源的信息设备，视其

工作电压要求，宜安装适配的直流电源线路浪涌保护器。

4) 电源线路浪涌保护器在各个位置安装时，浪涌保护器的连接导线应短直，其总长度不宜大于 0.5m。

5) 浪涌保护器（SPD）导线截面积选择

表 8-3 截面积的选择

保护级别

SPD 导线截面积（mm

2）

相 线 PE 线

一级（A 级） 25 35

二级（B 级） 10 16

三级（C 级） 6 10

四级（D 级） 4 6

注：（1）同回路断路器或熔断器、避雷器，额定电流不一致时，应按避雷器选线。

（2）浪涌保护器的保护级别，应有技术确定。

2. 绝缘等级

表 8-4 绝缘等级：

绝 缘 的

温 度 等

级

Y 级 A 级 E 级 B 级 F 级 H 级 N 级 R 级。

最 高 允

许 温 度

（℃）

90 105 120 130 155 180 200 220

绕 组 温

升 限 值

（K）

60 75 80 100 125

性 能 参

考 温 度

（℃）

80 95 100 120 145

在发电机等电气设备中，绝缘材料是最为薄弱的环节。绝缘材料尤其容易受到高温的影响而加速老化并损坏。不

77

同的绝缘材料耐热性能有区别，采用不同绝缘材料的电气设备其耐受高温的能力就有不同。因此一般的电气设备

都规定其工作的最高温度。

0 欧电阻

① 做为跳线使用。这样既美观，安装也方便。

② 在数字和模拟等混合电路中，往往要求两个地分开，并且单点连接。我们可以用一个 0 欧的电阻来连接这两

个地，而不是直接连在一起。这样做的好处就是，地线被分成了两个网络，在大面积铺铜等处理时，就会方便得

多。附带提示一下，这样的场合，有时也会用电感或者磁珠等来连接。

③ 做保险丝用。由于 PCB 上走线的熔断电流较大，如果发生短路过流等故障时，很难熔断，可能会带来更大的

事故。由于 0 欧电阻电流承受能力比较弱（其实 0 欧电阻也是有一定的电阻的，只是很小而已），过流时就先将

0 欧电阻熔断了，从而将电路断开，防止了更大事故的发生。有时也会用一些阻值为零点几或者几欧的小电阻来

做保险丝。不过不太推荐这样来用，但有些厂商为了节约成本，就用此将就了。

④ 为调试预留的位置。可以根据需要，决定是否安装，或者其它的值。有时也会用*来标注，表示由调试时决定。

⑤ 作为配置电路使用。这个作用跟跳线或者拨码开关类似，但是通过焊接固定上去的，这样就避免了普通用户

随意修改配置。通过安装不同位置的电阻，就可以更改电路的功能或者设置地址。 0 欧的电阻有不同的规格，

一般是按功率来分，如 1/8 瓦，1/4 瓦等等。

3. 避雷

1) 避雷等级：

按照我国标准规定：避雷器的标称放电电流按不同的电压等级分别为 20、10、5、3、1KA 五级，即氧化锌阀片

在这个电流下可以可靠地工作而本身不会损坏。

信号防雷：

依据 IEC 61644 的要求，分为 B、C、F 三级。

B 级、基本保护级（粗保护级），C 级、综合保护级，F 级、中等&精细保护级。

2) 防雷装置所使用的材料

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表 8-5 防雷材料

材料

使用于大

气中

使用于地

中

使用于混

凝土中

耐腐蚀情况

在下列环境中能

耐腐蚀

在下列环境中

增加腐蚀

与下列材料接触形成

直流电耦合可能受到

严重腐蚀

铜

单根导体，

绞线

单根导体，

有镀层的

绞线，铜管

单根导体，

有镀层的

绞线

在许多环境中良

好

硫化物

有机材料

—

热镀锌

钢

单根导体，

绞线

单根导体，

钢管

单根导体，

绞线

敷设于大气、混凝

土和无腐蚀性的

一般土壤中受到

的腐蚀是可接受

的

高氯化物

含量

铜

电镀铜

钢

单根导体 单根导体 单根导体

在许多环境中良

好

硫化物 —

不锈钢

单根导体，

绞线

单根导体，

绞线

单根导体，

绞线

在许多环境中良

好

高氯化物

含量

—

铝

单根导体，

绞线

不适合 不适合

在含有低浓度硫

和氯化物的大气

中良好

碱性溶液 铜

铅

有镀铅层

的单根导

体

禁止 不适合

在含有高浓度硫

酸化合物的大气

中良好

— 铜不锈钢

3) 种类

网络信号防雷器

适用范围

· 用于 10/100/1000Mbps SWITCH、 HUB、ROUTER 等网络设备的雷击和雷电电磁脉冲造成的感应过电压保护；

· 网络机房网络交换机防护；

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· 网络机房服务器防护；

· 网络机房其它带网络接口设备防护；

· 24 口集成防雷箱主要应用于综合网络柜、分交换机柜内多信号通道的集中防护。

图 8-1 网络信号防雷器

视频信号防雷器

视频防雷器适用范围

· 主要用于视频信号设备点对点的协击保护，可保护各种视频传输设备免受来自信号传输线的感应雷击和电涌

电压带来的危害，对相同工作电压下的 RF 传输同样适用；

· 集成式多口视频防雷箱主要应用于综合控制柜内硬盘录像机、视频切割器等控制设备的集中防护。

视频信号防雷器性能特点

· 采用多级保护电路，残压水平低

·插损小，响应时间快；

· 限制电压精确，通流容量大；

· PCB 采用微带设计，结构严谨；

· 集成多路视频信号防雷箱为标准 19 英寸安装，17 路设计，以备有一路出现故障时快速更换；

· 性能稳定，工作可靠；

· 安装、使用方便，无须维护。

图 8-2 视频信号防雷器

音频信号防雷器

适用范围

80

主要适用于通过双绞线传输音频信号或数字载波信设备的雷电及过电压保护。

如：电话机、传真机、MODEM、交换机、ADSL、ISDN 等。

性能特点

· 采用多级保护电路，通流容量大，残压水平低；

· 核心元件采用国际知名品牌，性能优异；

·插损小，响应时间快；

· 结构严谨，限制电压精确；

· 性能稳定，工作可靠；

· 安装、使用方便，无须维护。

图 8-3 音频信号防雷器

表 8-6 主保护导体的最小截面积（PE、PEN）

相导体的截面积 S/mm2 相应保护导体（PE、PEN）的最小截面积 SP/mm2

S≤16 S

16＜S≤35 16

35＜S≤400 S/2

400＜S≤800 200

800＜S S/4

注：

1 当保护导体用于 PEN 时，在中性导体电流不超过相电流的 30％的前提下是允许的，在超过 30％的

相电流时，相应的保护导体截面需要增加。

2 保护导体 PEN 排不需要绝缘。

3 相线材料同保护导体 PE 材料相同，当应用此表得出非标截面尺寸时，应加大一级选用。

4PE 排粘贴带有“PE”字母的黄绿相间的标识。

5 保护导体（PE、PEN），铜排排表面处理同相线。

电器中，接地线就是接在电气设备外壳等部位及时的将因各种原因产生的不安全的电荷或者漏电电流导出的

81

线路。

a) 高压接地线作用： 高压接地线是用于线路和变电施工，为防止临近带电体产生静电感应触电或误合闸时保

证安全之用。

b) 高压接地线结构： 携带型高压接地线由绝缘操作杆、导线夹、短路线、接地线、接地端子、汇流夹、接地

夹。

c) 高压接地线制作工艺：制作工艺优良-- 导线夹、接地夹是采用优质铝合金压铸成形；操作棒采用环氧树脂

彩色管，绝缘性能好，强度高、重量轻、色彩鲜明、外表光滑。

接地软铜线采用多股优质软铜线绞合而成，并外覆柔软、耐高温的透明绝缘护层，可以防止使用中对接地铜线的

磨损，铜线达到疲劳度测试需求，确保作业人员在操作中的安全。

d) 接地线规格：按部颁规定，接地线必须是 25mm 2 以上裸铜软线制成。

使用说明

a) 挂接地线时：先连结接地夹，后接接电夹；拆除接地线时，必须按程序先拆接电夹，后拆接地夹。

b) 安装：将接地软铜线分相上双眼铜鼻子固定在接地棒上的接电夹（接电夹有固定式和活动式）相应位置上，

将接地线合相上的单眼铜鼻子固定在接地夹或地针上，构成一套完整的接地线。

c) 核实接地棒的电压等级与操作设备的电压等级是否一致。

d) 接地软铜线有分相式和组合式，接地棒有平口式和双簧钩式线夹。

82

九、 接地保护

1. 接地体

接地体，又称接地极，是与土壤直接接触的金属导体或导体群，分为人工接地体与自然接地体。 接地体作

为与大地土壤密切接触并提供与大地之间电气连接的导体，安全散流雷能量使其泄入大地。

接地体类型：

埋入地中专门用作接地金属导体称为人工接地体，它包括铜包钢接地棒、铜包钢接地极、铜包扁钢、电解离子接

地极、柔性接地体、接地模块、“高导模块”。

1) 自然接地体。各类直接与大地接触的金属构件、金属井管、钢筋混凝土建筑物的基础、金属管道和设备等用

来兼作接地的金属导体。如果自然接地体的电阻能满足要求并不对自然接地体产生安全隐患，在没有强制规

范时就可以用来做接地体。

2) 人工接地体。埋入地中专门用作接地金属导体。它包括铜包钢接地棒、铜包钢接地极、铜包扁钢、电解离子

接地极、柔性接地体、接地模块、“高导模块”。

3) 水平接地体一般采用圆钢或扁钢；垂直接地体一般采用角钢或钢管。接地引下线圆钢直径不小于 10 毫米，

扁钢不小于 50×5 毫米；接地体圆钢直径不小于 10 毫米，扁钢不小于 48×4 毫米。

2. 接地装置

1) 人工接地体宜在建筑物四周散水坡外大于 1m 处埋设，在土壤中的埋设深度不应小于 0.5m。冻土地带人工

接地体应埋设在冻土层以下。水平接地体应挖沟埋设，钢质垂直接地体宜直接打入地沟内，其间距不宜小于

其长度的 2 倍并均匀布置。铜质材料、石墨或其他非金属导电材料接地体宜挖坑埋设或参照生产厂家的安装

要求埋设。

2) 地平地体沟内宜用低电阻率土壤回填并分层夯实。

3) 宜采用热镀锌钢质材料。在高土壤电阻率地区，宜采用换土法、长效降阻剂法或其他新技术、新材料降低接

地装置的接地电阻。

4) 钢质接地体应采用焊接连接。其搭接长度应符合下列规定:

a) 扁钢与扁钢(角钢)搭接长度为扁钢宽度的 2 倍，不少于三面施焊;

b) 圆钢与圆钢搭接长度为圆钢直径的 6 倍，双面施焊;

c) 圆钢与扁钢搭接长度为圆钢直径的 6 倍，双面施焊;

d) 扁钢和圆钢与钢管、角钢互相焊接时，除应在接触部位双面施焊外，还应增加圆钢搭接件;圆钢搭接件

在水平、垂直方向的焊接长度各为圆钢直径的 6 倍，双面施焊;

83

e) 焊接部位应除去焊渣后作防腐处理。

5) 铜质接地装置应采用焊接或热熔焊，钢质和铜质接地装置之间连接应采用热熔焊，连接部位应作防腐处理。

6) 接地装置连接应可靠，连接处不应松动、脱焊、接触不良。

7) 防雷接地与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置时，接地装置的接地电阻值必须

按接入设备中要求的最小值确定

3. 地线分类

控制系统中，大致有以下几种地线：

1) 数字地：也叫逻辑地，是各种开关量（数字量）信号的零电位。

2) 模拟地：是各种模拟量信号的零电位。

3) 信号地：通常为传感器的地。

4) 交流地：交流供电电源的地线，这种地通常是产生噪声的地。

5) 直流地：直流供电电源的地。

6) 屏蔽地：也叫机壳地，为防止静电感应和磁场感应而设。

4. 不同地线的处理方法

1)数字地和模拟地应分开：在高要求电路中，数字地与模拟地必需分开。即使是对于 A/D、D/A 转换器同一芯

片上两种‘地’最好也要分开，仅在系统一点上把两种‘地’连接起来。

2)保护‘地’： 保护‘地’是为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护‘地’线一端接用电器，另一端

与大地作可靠连接。

3)音响中的‘地’：

a）屏蔽线接地：音响系统为防止干扰，其金属机壳用导线与信号‘地’相接，这叫屏蔽接地。

b）音频专用‘地’：专业音响为了防止干扰，除了屏蔽‘地’之外，还需与音频专用 ‘地’相连。此接地

装置应专门埋设，并且应与隔离变压器、屏蔽式稳压电源的相应接地端相连后作为音控室中的专用音频接地点。

4)浮地与接地：系统浮地，是将系统电路的各部分的地线浮置起来，不与大地相连。这种接法，有一定抗干扰

能力。但系统与地的绝缘电阻不能小于 50MΩ，一旦绝缘性能下降，就会带来干扰。通常采用系统浮地，

机壳接地，可使抗干扰能力增强，安全可靠。

5)单端接地：

当电子设备之间采用多芯线缆连接，且工作频率 f≤1MHz ，其长度 L 与波长 λ 之比 L/ λ ≤0. 15 时，其

屏蔽层应采用一点接地（单端接地）。

84

6)多点接地

当 f>1MHz 、L/λ ＞ 0.15 时，应采用多点接地，并应使接地点间距离 S≤0.2λ。

7)信号接地：为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地。

信号电路接地的目的：为使电子设备工作时有一个统一的参考电位，避免有害电磁场的干扰，使电子设备稳定可

靠的工作，电子设备中的信号电路应接地，简称为信号地。这里的“地”可以是大地，也可以是电子设备的地板、

金属外壳或一个等电位面。

8)电源接地：系统电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求

的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其他单元稳定可靠地工

作。

9)电源（电气装置）接地，主要目的：

a) 保障人身和设备安全，防止电气装置绝缘损坏时外壳可能带电，人触及会有电击危险；

b)系统运行需要，如交流电力系统的中性点接地、直流系统中的电源正极或中点接地。

10) 信号接地与电源接地的区别：

a) 信号接地保障设备稳定可靠的工作；

b)电源接地不仅保护安全，更为重要的是保障人身安全。

11) 交流地与信号地不能共用。

由于在一段电源地线的两点间会有数 mV 甚至几 V 电压，对低电平信号电路来说，这是一个非常重要的干扰，

因此必须加以隔离和防止。

12) 信号接地怎么做才能达到信号屏蔽的目的？

如果屏蔽的是信号线，应靠近干扰源处接地，总之接地的原则是尽量使屏蔽层上的感应电流不流入信号线，以避

免引入干扰。

13) 那些需要接地？

故障保护措施采用自动切断电源时，外露可导电部分应接 PE 导体。

外露可导电部分是“设备上能触及的可导电部分，它在正常情况下不带电，但在基本绝缘损坏时带电”。

14) 电气装置的下列金属部分，均应接地或接零

电机、变压器、电器、携带式或移动式用电器具等的金属底座和外壳；

电气设备的传动装置；

屋内外配电装置的金属或钢筋混凝土构架以及靠近带电部分的金属遮栏和金属门；

配电、控制、保护用的屏（柜、箱）及操作台等的金属框架和底座；

交、直流电力电缆的接头盒、终端头和膨胀器的金属外壳和电缆的金属护层、可触及的电缆金属保护管和穿线的

85

钢管。穿线的钢管之间或钢管和电器设备之间有金属软管过渡的，应保证金属软管段接地畅通；

电缆桥架、支架和井架；

承载电气设备的构架和金属外壳；

发电机中性点柜外壳、发电机出线柜、封闭母线的外壳及其他裸露的金属部分；

气体绝缘全封闭式组合电器（GIS）的外壳接地端子和箱式变电站的金属箱体；

电热设备的金属外壳；

铠装控制电缆的金属护层；

互感器的二次绕组。

15) 不采用故障保护（间接接触防护）措施，即可不接地：

附设在建筑物上，且位于伸臂范围之外的架空线绝缘子的金属支架。

架空线钢筋混凝土电杆内触及不到的钢筋。

尺寸很小（约小于 50 mmX50 mm），或因其部位不可能被人抓住或不会与人体部位有大面积的接触，而且难于连

接 PE 导体或即使连接，其连接也不可靠的外露可导电部分。

16) 采用下列防护措施时，外露可导电部分不应接地：

电气分隔；

特低电压 SELV；

非导电场所；

不接地的局部等电位联结。

1

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