JB/T 13075-2017 工业机械电气设备及系统用的EtherMAC系统结构与通讯规范.pdf

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标准编号:JB/T 13075-2017
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JB/T 13075-2017 工业机械电气设备及系统用的EtherMAC系统结构与通讯规范.pdf

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对采用光信号互联的EthcrMAC连接端子设计要求如下: EtherMAC连接端子插座处应有保护盖帽及保护盖帽固定位置; EtherMAC连接端子插座及插头需采用符合IP54防护等级要求的接插件: EtherMAC物理连接端子插头及插座之间必须具备额外的连接固定装置,固定装置必须在完全 解锁后才允许端子插头与端子座之间光纤接触面分离。

6.2.2.2IEEE1394

1394连接器应符合IEEEStd1394a的要求,见

光纤应符合GB/T15972.102008的要求钢架隔墙施工组织设计++.docx,见

EtherMAC物理层电气特性包括信号电平、信号的脉冲宽度和频率、数据传送速率、最大传 摩,应符合GB/T15629.32014的规定。

EtherMAC采用链状或环形拓扑结构。如图1、图2所示。 EtherMAC主节点与从节点采用屏蔽的超五类双绞电缆或光纤依次连接,形成EtherMAC通信环 路,工业以太网的安装指导见附录E。每个从设备包含两个网络接口,每个接口包含独立的物理层芯 片和两个收发端口(端口A和端口B)。本协议仅规定EtherMAC物理拓扑结构,利用网络2X100Mbps 传输特性,支持网络完余、容错处理。

6.4.2链状网络拓扑

erMAC采用如图1所示的链状结构作为其基本网络拓扑,每个站点包含两个相同的网络接口 A和端口B),通过两对双绞线连接只形成1个物理环路。

6.4.3环形网络拓扑

安全性要求严格的应用,EtherMAC提供如 用通信过程中EtherMAC依然按照链状结构进行数据通信,不同之处在于末节点需要通过主节点 工作,且主节点在周期通信阶段分别从两个网口下发控制数据,两者互为备份。

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若通信过程中,网络因故障从中间断开,则环形网络自动进化为两条链状网络保持与主节点通信, 保证系统的正常运行,如图3所示。

EtherMAC数据链路层位于标准以太网物理层硬件之上,将物理层提供的可能出错的物理连接改 造成逻辑上无差错的数据链路,负责数据链路的建立、维持和释放管理。数据链路层的数据单位为数 据帧,链路层完成帧界定、同步和收发顺序的控制,并为应用层用户提供数据封装和解析服务。数据 顿中包含一定的控制信息和应用数据。 EtherMAC数据链路层位于物理层之上,通过数据封装和差错控制为网络节点间提供透明、可靠的 信息传输服务。本章主要规定了顿格式、差错控制方法、节点寻址等。

数据链路层为建立在物理层之上的数据通道。物理层为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其 连接。传输媒体可长期存在,而数据连接则有其生存期。数据链路层为终端设备建立数据收发关系, 在连接生存期内,收发两端可以进行不对称的一次或多次数据通信。在物理媒体上传输的数据会受到 各种不可靠因素的影响而产生差错,为了弥补物理层上的不足和为上层提供无差错的数据传输,数据 链路层要具备对数据进行检错和纠错的能力。 一般将数据链路层划分成两个子层:逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC,如图5 所示)

MAC子层的主要功能是对传输介质的信号进行数据比特流发送和接收控制。 LLC子层的主要功能包括数据帧的接收与发送、数据顿的封装/解封、顿的寻址和识别、链路的管 理、顿的差错控制等。LLC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性,提供可靠的连接服务类型。 链路层为上层提供数据传送服务,通过一些数据链路控制规程(协议),实现可靠的数据传输。链 路层的主要功能如下: a)链路连接的建立、拆除、分离; b)顿定界和顿同步:由于物理层仅仅接收和传送比特流,并不关心比特流的意义和结构,所以只 能依赖链路层来产生和识别顿边界; c)冲突控制:确保数据顿能够无冲突地传送到从设备,并返回至主设备; d)顺序控制、流量控制:对顿的收发顺序以及数据链路上传输顿流量的控制; e)差错检测和恢复:差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码,而顿丢失 等用序号检测,各种错误的恢复则常靠反馈重发技术来完成; f)实时控制:确保数据顿及时准确地收发、封装、解封控制。 数据链路层的协议功能如图6所示

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图6数据链路层协议功能

7.3.2数据顿的定义

GB/T15629.3—2014规定的标准以太网顿结构

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图8EtherMAC数据顿标准组成

EthcrMAC数据顿对原始数据进行数据封装,形成数据传输过程中的数据。在封装的数据顿信息 中,包含实际要传输的数据,用来表示数据帧的节点号、节点数据长度、地址、指令等信息。 标准的EtherMAC数据包含以下几个部分: a)以太网标准顿头,包含目的地址、源地址、以太网类型等; b)EtherMAC顿头,包括帧序列号、控制字、数据顿长度等; c)数据区,包含1个或者多个从节点信息; d)顿校验序列,GB/T15629.3一2014规定的32位CRC校验

7.3.4顿定界和顿同步

EtherMAC采用GB/T15629.3一2014规定的以太网的顿定界和帧同步方式,以7个字节的前 1个字节顿起始定界符作为1个EtherMAC的开始,且不使用顿结束定界符,当以太网总线 信号为空时,信道空闲,网络接口检测不到信号,意味着一个顿的结束。

7.3.5数据顿的寻址和识别

首先是网段寻址一一EtherMAC根据目的地址和以太网顿类型对以太网顿进行识别。所有的 EtherMAC从设备均可当作一个标准以太网设备处理,EtherMAC网络也接收物理地址为 FF:FF:FF:FF:FF:FF的广播数据帧。除对目的地址判定之外,EtherMAC的节点还会检测以太网类型的 字段是否为0x8283,识别其是否是属于本网络的数据帧。对EtherMAC从节点反馈至主节点的数据采 用广播顿的形式,其目的地址为FF:FF:FF:FF:FF:FF,采用广播包的形式不仅能使主节点接收到反馈数 据顿,还能便于其他计算机通过集线器或交换机对从节点网络进行监控。 其次是节点数据寻址,数据顿转发过程中,EtherMAC根据节点号和节点长度将本地节点的数据从 EtherMAC集总帧中解析出来。

7.3.6差错检测与纠错

差错检测能力是通信系统发现通信过程中差错的能力,系统应具备相当的差错检测能力使得差错能 被控制在一个尽可能小的范围之内。对于整个以太网顿,EtherMAC有标准的32位CRC校验,如图9 所示。

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GB15629.3—2014中规定的以太网顿CRC校

EtherMAC总线的纠错方式如下: a)错误重发:周期通信过程中,若从节点检测到主节点下发的数据顿CRC校验错误,则末节点会 根据周期计时器判断下一轮通信启动前主节点是否有足够时间重发控制数据,从而决定是立即 发起上传还是等待下一轮周期通信通知主节点数据的丢失。上传数据中顿属性控制字中的相应 位会被置位。 b)序列号校验:EtherMAC数据顿中有表示慎序列号的字节,每次进行数据交互后都会自动加1, 节点如果检测到序号不连续说明有丢失的数据,主节点和从节点据此执行相应的重发或故障处 理操作。 c)主节点超时:若某一周期主节点并未下发控制数据,则从节点上传时置位相应的顿属性控制字, 通知主节点有数据丢失

主节点导从节点之间对应应用层实体之间的通信规范的集合,包括所传输数据的格式、差错 以及在计时与时序上的有关约定等。

网络数据传输时,目的地址为网络中所有设备的一种传输方式。在EtherMAC中从节点通过广播包 的形式将数据发送给主节点。

网络数据传输时,目的地址为单一目标的一种传输方式。EtherMAC中所用从节点共享同一个物理 地址,主节点通过单播包的形式将数据报文发送给所有的从节点。

8.2.3通信状态机概述

在周期通信阶段,总线状态包括:初始、枚举、配置、周期运行、停止。通过状态机机制,EtherMAC 在不同的状态执行相应权限的总线功能,从而保证EtherMAC总线的有序性、安全性和健壮性。

8.2.4通信状态机切换

初始态:在系统上电后,主节点、从节点均进入初始化状态。 枚举态:主节点发出枚举数据包,查询网络中从节点的个数和类型 配置态:主节点配置总线的通信周期、同步时间等基本通信参数。 周期运行态:各节点周期性交换数据并执行相应动作。 状态之间的转换关系如图10所示。

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8.3数据顿定义与封装

图10EtherMAC状态机转换

信息。主节点下发到从节点的数据结 11所示

图11EtherMAC数据区结构

每个节点的数据段都包括节点号、节点数据长度和节点数据三部分,上层协议据此解析出每个节点 的数据。节点数据解析完之后,上层服务程序再依据节点内部的索引地址和索引长度解析出不同的指令, 并据此执行相应操作。 除源地址的目的地址不同之外,EtherMAC返回顿中的节点数据的次序和下发数据顿的次序也正好 相反。因为数据上传过程中每个节点的数据是逐个追加的,所以末节点的数据在数据区的最前方,而0 从节点的数据位于返回帧的末尾。

8.4EtherMAC的数据交换

8.4.1通信过程中的数据的交换

EtherMAC数据交换分为控制数据 上传两个阶段。主节点下发控制数据之后等待从 回状态数据,如此周而复始完成数据的周期性交换,如图12所示。

8.4.2非周期数据的传输

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图12EtherMAC周期通信过程

EtherMAC支持基于握手的非实时数据交换方式。EtherMAC在从节点中设置了一块独立的缓冲 区,主节点下发的数据只有确认被从节点读取成功后才能再次写入,即主节点每次将数据下发之前都 需要查询从节点对该段存储区域的操作状况。EtherMAC通过这种方式来实现周期通信过程中一些配 置数据和其他上层协议数据的传输。

8.5网络连接的建立与管理

为实现数据顿在通信链路上的无差错传输,差错控制是通信链路层必须具备的基本功能,差错控制 包括差错检验和纠错两个方面的内容。工业系统往往要求系统具有较高的可靠性,EtherMAC通过以 容错机制进行差错控制。

差错检测能力是通信系统发现通信过程中差错的能力,系统应该具备相当的差错检测能力使得差 能被控制在一个尽可能小的范围之内。

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EtherMAC针对上传和下发过程的区别制定了相应的差错检测机制。对主节点下发的控制数据采用 GB/T15629.3一2014规定的32位CRC校验,而对从节点上传的状态数据,因为节点数据是逐次追加在 数据顿末尾,所以为准确定位错误数据每个节点的数据采用8位CRC校验,如图13所示。

图13上传数据顿的校验信息

顿序列号:为检测数据包丢失的情况,EtherMAC顿头中用1个字节来表示顿序列号,用来表示主 节点下发或者从节点上传的数据顿个数。正常情况下,无论下发还是上传的顿序列号均为连续递增序列, 并且下发和上传的顿序列号差值为固定的。顿序列计数值溢出后继续从0开始,若有数据包丢失则会有 顿序列号的跳跃。 工作字计数器:工作字包含本节点应用厂 作结果,见表1。

表1EtherMAC从节点工作字寄存器

纠错机制包括: a)正确接收:主节点对接收到的数据顿校验正确无误,表示已经正确地接收了该顿,此时,从节 点0可以启动新一轮的通信; b)错误重发:周期通信过程中,若从节点检测到主节点下发的数据顿CRC校验错误,则末节点立 刻发起上传,并置位相应的属性控制字,向主节点发送数据重发请求; c)序列号校验:EtherMAC数据顿中有表示帧序列号的字节,每次进行数据交互后都会自动加1, 节点如果检测到序号不连续说明有丢失的数据,主节点和从节点据此执行相应的重发或故障处 理操作; d)主节点超时:若某一周期主节点并未下发控制数据,则从节点上传时置位相应的顿属性控制字, 通知主节点有数据丢失。

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a)枚举故障:主节点不能识别从节点数量,无法进行配置,所有通信过程无法进行,总线进入故 障态; b)通信线路故障:对于链状网络,通信过程中任何节点和连接的故障都会引起系统故障

8.7.1 通信状态管理

EtherMAC通过数据控制顿控制字和数据顿长度中数据段中的第13、14位控制数据顿类型,如图 14所示。

收举数据包:控制命令0

图14EtherMAC顿控制学及顿长度

主节点通过枚举包为每个从节点分配唯一的节点号:距离发送枚举包的网口最近的为0节点,随着 从节点的连接次序,节点号逐渐递增,如图15所示

8.7.1.3配置数据包:控制命令 0x03

图15EtherMAC从节点号

8.7.1.4周期通信数据包:控制命令0x02

主要完成主节点与从节点之间具有实时性要求的过程数据的交换。周期通信中,可以通过基于握手 的方式实现主、从节点之间非实时数据的交互。 8.7.1.5通信停止:控制命令0x00 结束通信,所有从节点进入空闲状态。

8.7.2主节点与从节点数据的交互

EtherMAC主节点和从节点之间按照协 定的以太网顿格式完成数据的交换。协议栈按图17所 示格式解析出应用数据交给应用层处理,应用层的开发示例参见附录D。

■EtherMAC节点控制数

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图A.1IEEE1394接口

图A.3M12接口端子

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最小的内存存储单位,取值包括“0”和“1”两种。 约定:在本标准中以“b”为位元单位的缩写,即1b表示1个位元(1bit)

每8个bit构成1个byte,称为1个字节。 约定:在本标准中以“B”为字节单位的缩写,即1B表示1个字节(1hyte)

不带有符号的整型数可以使用8bits、16bits、32bits等多种方式进行存储。 整数取值范围: 8bits:0~255; 16bits:0~65535; 32bits:0~4294967295。 约定:以8bits、16bits、32bits存储的无符号整型数在本标准中以u××表示: 8bits整型数:u8; 16bits整型数:ul6; 32 bits 整型数:u32。

不带有符号的整型数可以使用8bits、16bits、32bits等多种方式进行存储。 整数取值范围: 8bits:0~255; 16bits:0~65535; 32bits:0~4294967295。 约定:以8bits、16bits、32bits存储的无符号整型数在本标准中以u×X表示 8bits整型数:u8; 16bits整型数:u16; 32 bits 整型数:u32。

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浮点数标准遵从IEEE754标准的实数表示方法。 约定:本标准中,以float或Float表示浮点数。

空数据类型长度为零。 约定:以NULL表示。

通信中,用信息的源和目的地的编码表示。

日历日期部分结构体包括:日期day,月month,年份ycar。 取值范围: 日期day:1~31; 月month:1~12; 年year:0 000~9999

组Aray由一个同类元素的有序集合组成。本协议对数组元素的数据类型没有约束,但每个元券 自同一个类型。数组一且被定义,数组中元素的数量不能改变。

,本标准不限制字段的数据类型,一个结 构可以包含基本数据元素、更多其他结构元素或者用户定义的数据元素。

列表是指由一组对象索引值组成的变 变量本身的访问可以是对列 表变量的成员(即地址索引值)进行的访问,也可以是对列表的实例化数据进行的访问。

对象是指具有一组确定属性的可操作的集合体。

EtherMAC采用小端对齐的方式:即低字节的数据在前,高字节的数据在后。

C.1工业以太网通信线缆

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附录C (规范性附录) 基于以太网的物理层附加要求

erMAC网络中,基于以太网的网段使用的通信线缆包括同轴电缆、双绞线和光缆,其选用对应 气和电子工程师协会(IEEE)制订的相关标准,见表C.1

表C.1工业以太网通信线缆选用

在复杂工业环境下应用,需在ISO/IEC11801基础上,增加网络结构设计和连接部件方面的额外保 护措施,而与通信相关的参数则可以保留不变。

杂工业环境下应用,需在ISO/IEC11801基础上,增加网络结构设计和连接部件方面的额外保 而与通信相关的参数则可以保留不变

C.2工业以太网通信线缆与连接件防护要求

工业环境的的状况,工业以太网对环境的适应性要求比传统的商业以太网更强,包括设备、通 连接件等在内的防爆性、抗腐蚀性、机械强度、电磁兼容性等。

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C.2.2工业通用要求

工业环境通用要求见表C.2。

表C.2工业环境通用要求

C.2.3环境保护级别

环境保护级别见表C.3

表C.3环境保护级别

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时录提供了EtherMAC总线协议的3个应用层开发示例,其中示例1和示例2均为主节点的开发 ,示例3为基上FPGA的从节点开发提供参者

D.2主站应用层开发示例1:基于通用开发工具的开发示例

主站应用层可选用VisualStudio.NET环境开发设计,VisualStudio.NET编程坏境具有较好的可 面编辑功能,支持C、C++、C#等多种语言,本示例采用了C#与C++混合编程,开发流程如图D

图D.1基于通用软件的开发流程示意图

各控制系统结构层次如图D.2所示。C#WinForm界面 搭建。但由于C#语言编写的代码是托管代码,执行效率低,所以选择实时性更高的C++来完成

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数据的计算处理与任务调度。两个进程间的数据交互则由共享内存接口interchange.dll来实现。其中, EherMAC.dll负责完成设备打开、非周期通信中的枚举和配置、周期通信中控制数据的组包下发与解析 反馈包中的测量数据等任务,是主站与从节点通信的桥梁。

D.3主站应用层开发示例2:基于第三方开发环境CoDeSvS的开发示例

图D.2基于通用开发软件的EtherMAC软件层次结构图

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图D.3基于CoDeSys的控制系统结构

目标机程序在通过连接EtherMAC.dll下发数据后处于等待周期性返回数据的状态,返回数据到达 时,目标机程序通过EtherMAC.dll解析处理获取的返回数据,并计算下周期要下发的控制数据,之后 下发数据并继续等待数据返回,各板卡接收目标机下发的数据并解析,然后下发到控制对象(电动机驱 动、变频器、各类传感器等)并接收返回数据,返回数据经板卡解析处理后返回到目标机,继而周期性 循环实现周期通信。

从节点采用基于FPGA的方案,其中链路层由软核实现,链路层软核通过片内总线与其他模块进 行通信。EtherMAC单轴模块的开发实例如图D.4所示。

图D.4EtherMAC单轴模块

在FPGA内部,EtherMAC数据经物理层到达IP核,应用层软件程序通过片内总线读取控制伺服 轴的命令,伺服轴模块将其转换成脉冲、方向信号经电动机接口控制伺服电动机运行;伺服轴模块接收 电动机编码器反馈信号,通过片内总线写入RAM区域,由EtherMACIP核负责上传给主节点。借助于 [O模块,其可实现限位、回零等功能,其他模块作为保留以进行功能扩展。

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附录E (规范性附录) 工业以太网设计和安装指导

设计网络时应考虑以下带宽因素: )米来数年内网络通信量增大,应同时满足网络平均负荷和峰值负荷,以免出现暂时过载 )反应时间应满足自动控制要求。

链路应考虑以下要求: a)工业应用中应首选交换机; b)对基于HUB的系统,应考虑有源设备造成的传输延迟对链路段长度的限制。

元余要求如下: a)在要求严格的应用场合,要求有链路穴余; b)在要求严格的应用场合,同一链路中要求有设备穴余

在使用铜缆时,应注意以下几点: a)在张力减轻的条件下尽可能使屏蔽具有扩充性,或使用屏蔽套管; b)插头连接器和模块应保持良好接触; c)不要损坏或挤压导线,仅外露适当的铜缆且与连接器获得足够的接触 d)按照制造商提供的安装指导正确使用连接器插头: e)正确使用连接导线; f)避免导线直接绞连; g)正确使用接地模块。

E.3.2非恶劣环境布线指导

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非恶劣环境布线,应注意以下几点: a)应根据当地条件和相应规则进行电缆安装。 b)相关规则和标准定义了干扰源的最近距离,在设计和安装工业以太网系统时必须注意。 c)针对电磁兼容影响、电磁干扰和机械强度要求,应充分考虑布线现场情况,设计合理走线路径。 电缆不要接近产生强电场或磁场的设备,特别注意合理安排那些邻近或环绕光、电机、驱动控 制器、电弧焊接机和沟渠的电路。 d)下面的通用安装指导与IEEE518:1982的要求一致。当设计布线系统时,还必须结合具体情况考虑: 一如果电缆必须跨越电源线,注意使电缆保持合适角度; 距高压壳体或微波源(射频)至少1.5m; 如果导线在金属线槽或金属管道内,相邻线槽和管道必须相连,以便所有管道具有电气连续性; 只有屏蔽电缆能安装在金属管道内,屏蔽层不可与管道有任何接触; 因金属管道会影响非屏蔽双绞线的电气性能,非屏蔽双绞线安装在管道内将不能正常工作。当 将非屏蔽双绞线安装在管道内时,请咨询电缆制造商。 电缆按电磁兼容性的分类见表E1。

表E.1电缆按电磁兼容性的分类

E.3.2.2机壳外部布线

壳外面使用的电缆相对较长。为减小与相邻电缆的互扰,应尽量使以太网电缆与其他干扰导体保 距离,机壳外部电缆与干扰源最小距离见表E.2。

表E.2机壳外部电缆与干扰源最小距离

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E.3.2.3机壳内部布线

壳内部所用电缆相对较短。必须使以太网电缆与EMC1类导体保持最大间隔距离,机壳内部电 扰源最小距离见表E.3。布线时应把其他导体布置在所有电缆管道之外,或置于一个与EMC1导 的单独管道内。

表E.3机壳内部电缆与干扰源最小距离

E.3.2.4机械应力

在进行线缆布线时: a)应根据具体情况选择合适电缆: b)应注意电缆最小弯曲半径要求: c)电缆安装完毕后,应保证可移动机械设备不会损坏电缆; d)不可将电缆暴露于车道和机器的移动路径上; e)应使用线槽或线桥

E.3.2.5电磁干扰

在非恶劣环境布线时应注意: a)信号线和电源线不能平行排列。 b)根据制造商的安装指导使用铜缆插头。 c)位于建筑物之间的外部电缆必须根据规定进行接地。 d)所有插头连接器的固定装置(螺栓等)接地后应保证屏蔽效果尽可能好。系统初次使用前需要 对接地或电缆屏蔽进行检查以保证电缆的低阻发送性能,

E.3.3恶劣环境布线指导

在恶劣环境布线时应注意: a)电缆安装在两端接地的金属管中; b)长线连接时,在连接点间另接一条等电位电缆

在恶劣环境布线时应注意: a)电缆安装在两端接地的金属管中; b)长线连接时大跨度桥梁的施工工艺,在连接点间另接一条等电位电缆。

电磁兼容性是指安装系统发出的电磁辐射低于相应标准的要求,系统可在特定电磁环境中正 并达到规定的抗干扰级别。安全性始终应优先于EMC考虑。不同的国际标准定义了影响安装的 磁环境,具体应用中应根据相关于扰源确定适用标准。

敏层是电缆外敷裹的导体表层, 免电缆与外部电磁干扰的耦合。安装屏蔽层时应考虑以下 屏蔽层最好与设备相连接:

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b)屏蔽层两端都与设备连接时可减少电磁辐射,但两端接地点电势不同时会引入环路电流; )屏蔽层一端接地时可屏蔽外电场和避免接地环路电流; d)屏蔽层两端接地时可屏蔽外电场,由磁场在屏蔽层产生电流可以部分抵消磁场干扰; e)以上所有措施对低频磁场(如50Hz)无效。 屏蔽层的安装指导如下: a)电缆屏蔽层应从发送器端到接收器端保持连续,有1)和2)两种连接方式: 1)在所有工作条件下,若建筑物接地系统具有相同电势,则使屏蔽层两端都接地。 2)若接地系统电势不同,或接地系统阻抗过高或者有过多噪声干扰,则使电缆屏蔽层的一端接 地。一般使屏蔽层在设备端连接器处断开,连接器之前应一直保持连续(即从电缆另一端直 到设备端连接器处保持连续)。 3)设备插孔应用一个电阻和电容(1MQ和0.01μF)并联接地(见图E.1a)。 4)内部接地的设备应使屏蔽层在连接器处断开,或者使屏蔽层通过外部RC电路接地(见图 E.1b)。 5)交换机本身已使电缆屏蔽层接地。 b)电缆屏蔽层应具有低传输阻抗。 c)各连接元件的组合应特别小心,应使屏蔽层360°包围电缆。 d)屏蔽层必须全长度包围电缆。 e)应保证屏蔽层的连续性,屏蔽层上不可有孔、引线和环等(见图E.2)。

图E.1屏蔽层接地法

图E.2保证屏蔽层的连续性

雅安龟都府电力有限责任公司库区草坝、和龙段公路改建工程施工方案JB/T130752017

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