PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用的抗干擾問(wèn)題研究

1、PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用的抗干擾問(wèn)題研究濰坊學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系 魏先民摘 要:本文分析了 PLC 控制系統(tǒng)中的主要干擾源,并分析了 PLC 控制系統(tǒng)工程應(yīng)用的抗 干擾設(shè)計(jì),最后給出了 PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)采取的主要抗干擾措施。關(guān)鍵詞:干擾源 PLC 抗干擾 接地The Anti-interference Problem Research of PLC Control SystemsAbstract: The main interference sources and designs of anti-interference in PLC control systems are introduced i

2、n this article, and the adopted anti-interference ways are presented mostly at last. Key words: interference source PLC Anti-interference connecting the ground中圖分類(lèi)號(hào):TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1 概述隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, PLC 在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 PLC 控制系統(tǒng)的可靠性直 接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的 關(guān)鍵。自動(dòng)化系統(tǒng)中所使用的各種類(lèi)型 PLC ,有的是

3、集中安裝在控制室,有的是安裝在生產(chǎn) 現(xiàn)場(chǎng)和各電機(jī)設(shè)備上,它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高 PLC 控制系統(tǒng)可靠性, 一方面要求 PLC 生產(chǎn)廠家用提高設(shè)備的抗干擾能力; 另一方面, 要求 工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中引起高度重視,多方配合才能完善解決問(wèn)題,有效地增強(qiáng) 系統(tǒng)的抗干擾性能。2 電磁干擾源及對(duì)系統(tǒng)的干擾2.1 干擾源及干擾一般分類(lèi)影響 PLC 控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣, 大都產(chǎn)生在電流或 電壓劇烈變化的部位,這些電荷劇烈移動(dòng)的部位就是噪聲源,即干擾源。干擾類(lèi)型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。其中按

4、噪聲產(chǎn)生的原因不同,分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等;按噪聲的波形、性質(zhì)不 同,分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等;按噪聲干擾模式不同,分為共模干擾和差模干擾。共模干 擾和差模干擾是一種比較常用的分類(lèi)方法。 共模干擾是信號(hào)對(duì)地的電位差, 主要由電網(wǎng)串入、 地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線(xiàn)上感應(yīng)的共態(tài)(同方向電壓迭加所形成。共模電壓有時(shí) 較大,特別是采用隔離性能差的配電器供電室,變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高,有的 可高達(dá) 130V 以上。共模電壓通過(guò)不對(duì)稱(chēng)電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓,直接影響測(cè)控信號(hào),造成 元器件損壞 (一些系統(tǒng) I/O模件損壞率較高的主要原因 , 這種共模干擾可為直流、 亦可為交 流。

5、差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓,主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由 不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓,這種讓直接疊加在信號(hào)上,直接影響測(cè)量與控制精 度。2.2 PLC控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來(lái)源2.2.1 來(lái)自空間的輻射干擾空間的輻射電磁場(chǎng)(EMI 主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線(xiàn)電廣 播、 電視、 雷達(dá)、 高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的, 通常稱(chēng)為輻射干擾, 其分布極為復(fù)雜。 若 PLC 系統(tǒng)置于所射頻場(chǎng)內(nèi), 就回收到輻射干擾, 其影響主要通過(guò)兩條路徑:一是直接對(duì) PLC 內(nèi)部 的輻射, 由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾; 而是對(duì) PLC 通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射, 由通信線(xiàn)路的感應(yīng)引入干擾

6、。 輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小,特別是頻率有關(guān),一般通過(guò)設(shè)置屏蔽 電纜和 PLC 局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù)。2.2.2 來(lái)自系統(tǒng)外引線(xiàn)的干擾主要通過(guò)電源和信號(hào)線(xiàn)引入,通常稱(chēng)為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較嚴(yán)重。 (1來(lái)自電源的干擾實(shí)踐證明, 因電源引入的干擾造成 PLC 控制系統(tǒng)故障的情況很多, 筆者在某工程調(diào)試中 遇到過(guò),后更換隔離性能更高的 PLC 電源,問(wèn)題才得到解決。PLC 系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣,它將受到所有空間電磁 干擾而在線(xiàn)路上感應(yīng)電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化,開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起 停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波

7、、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等,都通過(guò)輸電線(xiàn)路傳到電源。 PLC 電 源通常采用隔離電源,但其機(jī)構(gòu)及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實(shí)際上,由于分布參 數(shù)特別是分布電容的存在,絕對(duì)隔離是不可能的。(2來(lái)自信號(hào)線(xiàn)引入的干擾與 PLC 控制系統(tǒng)連接的各類(lèi)信號(hào)傳輸線(xiàn), 除了傳輸有效的各類(lèi)信息之外, 總會(huì)有外部干 擾信號(hào)侵入。此干擾主要有兩種途徑:一是通過(guò)變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源 串入的電網(wǎng)干擾,這往往被忽視;二是信號(hào)線(xiàn)受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾,即信號(hào)線(xiàn)上的外 部感應(yīng)干擾, 這是很?chē)?yán)重的。 由信號(hào)引入干擾會(huì)引起 I/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低, 嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng),

8、還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾,引起共地系 統(tǒng)總線(xiàn)回流,造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)和死機(jī)。 PLC 控制系統(tǒng)因信號(hào)引入干擾造成 I/O模件 損壞相當(dāng)嚴(yán)重,由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。(3來(lái)自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(EMC 的有效手段之一。正確的接地,既能抑制電磁 干擾的影響,又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾;而錯(cuò)誤的接地,反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào),使 PLC 系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。PLC 控制系統(tǒng)的地線(xiàn)包括系統(tǒng)地、 屏蔽地、 交流地和保護(hù)地等。 接地系統(tǒng)混亂對(duì) PLC 系 統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均,不同接地點(diǎn)間存在地電位差,引起地環(huán)路電流, 影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必

9、須一點(diǎn)接地,如果電纜屏蔽層兩端 A 、 B 都接地,就 存在地電位差,有電流流過(guò)屏蔽層,當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí),地線(xiàn)電流將更大。此外,屏蔽層、接地線(xiàn)和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路,在變化磁場(chǎng)的作用下,屏蔽層內(nèi)有 會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流,通過(guò)屏蔽層與芯線(xiàn)之間的耦合,干擾信號(hào)回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理 混亂, 所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線(xiàn)上產(chǎn)生不等電位分布, 影響 PLC 內(nèi)邏輯電路和模擬電路 的正常工作。 PLC 工作的邏輯電壓干擾容限較低, 邏輯地電位的分布干擾容易影響 PLC 的邏 輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯,造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī)。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測(cè)量精度下 降,引起對(duì)信號(hào)測(cè)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作。2.

10、2.3 來(lái)自 PLC 系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生,如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬 電路的影響, 模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。 這都屬于 PLC 制 造廠對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的內(nèi)容,比較復(fù)雜,作為應(yīng)用部門(mén)是無(wú)法改變,可不必過(guò) 多考慮,但要選擇具有較多應(yīng)用實(shí)績(jī)或經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的系統(tǒng)。3 PLC控制系統(tǒng)工程應(yīng)用的抗干擾設(shè)計(jì)為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾,必須從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始便采取 三個(gè)方面抑制措施:抑制干擾源;切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑;提高裝置和系統(tǒng)的抗干 擾能力。這三點(diǎn)就是抑制電磁干擾的基本原則。PLC 控制系統(tǒng)的抗干

11、擾是一個(gè)系統(tǒng)工程,要求制造單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)出具有較強(qiáng)抗干擾能力 的產(chǎn)品,且有賴(lài)于使用部門(mén)在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮,并結(jié)合具有 情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。進(jìn)行具體工程的抗干擾設(shè)計(jì) 時(shí),應(yīng)主要以下兩個(gè)方面。3.1 設(shè)備選型在選擇設(shè)備時(shí),首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品,其包括了電磁兼容性(EMC ,尤其是抗外部干擾能力, 如采用浮地技術(shù)、 隔離性能好的 PLC 系統(tǒng); 其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給 出的抗干擾指標(biāo),如共模擬制比、差模擬制比,耐壓能力、允許在多大電場(chǎng)強(qiáng)度和多高頻率 的磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中工作; 另外是考察其在類(lèi)似工作中的應(yīng)用實(shí)績(jī)。 在選擇國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品要

12、注 意:我國(guó)是采用 220V 高內(nèi)阻電網(wǎng)制式, 而歐美地區(qū)是 110V 低內(nèi)阻電網(wǎng)。 由于我國(guó)電網(wǎng)內(nèi)阻 大,零點(diǎn)電位漂移大,地電位變化大,工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高 4倍以 上, 對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能要求更高, 在國(guó)外能正常工作的 PLC 產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)工業(yè)就不一定能可靠 運(yùn)行,這就要在采用國(guó)外產(chǎn)品時(shí),按我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13926合理選擇。3.2 綜合抗干擾設(shè)計(jì)主要考慮來(lái)自系統(tǒng)外部的幾種抑制措施, 主要內(nèi)容包括:對(duì) PLC 系統(tǒng)及外引線(xiàn)進(jìn)行屏蔽 以防空間輻射電磁干擾;對(duì)外引線(xiàn)進(jìn)行隔離、濾波,特別是動(dòng)力電纜分層布置,以防通過(guò)外 引線(xiàn)引入傳導(dǎo)電磁干擾;正確設(shè)計(jì)接地點(diǎn)和接地裝置,完善接地系

13、統(tǒng)。另外還必須利用軟件 手段,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。4 主要抗干擾措施4.1 采用性能優(yōu)良的電源,抑制電網(wǎng)引入的干擾在 PLC 控制系統(tǒng)中, 電源占有極重要的地位。 電網(wǎng)干擾串入 PLC 控制系統(tǒng)主要通過(guò) PLC 系統(tǒng)的供電電源(如 CPU 電源、 I/O電源等 、變送器供電電源和與 PLC 系統(tǒng)具有直接電氣 連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的。 現(xiàn)在, 對(duì)于 PLC 系統(tǒng)供電的電源, 一般都采用隔離性能 較好電源, 而對(duì)于變送器供電的電源和 PLC 系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源, 并沒(méi)受 到足夠的重視,雖然采取了一定的隔離措施,但普遍還不夠,主要是使用的隔離變壓器分布 參數(shù)大,抑制干

14、擾能力差,經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以,對(duì)于變送器和共 用信號(hào)儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù)的配電 器,以減少 PLC 系統(tǒng)的干擾。此外,位保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷,可采用在線(xiàn)式不間斷供電電源(UPS 供電,提高供電 的安全可靠性。并且 UPS 還具有較強(qiáng)的干擾隔離性能,是一種 PLC 控制系統(tǒng)的理想電源。 4.2 電纜選擇和敷設(shè)為了減少動(dòng)力電纜輻射電磁干擾,尤其是變頻裝置饋電電纜。筆者在某工程中,采用了 銅帶鎧裝屏蔽電力電纜,從而降低了動(dòng)力線(xiàn)生產(chǎn)的電磁干擾,該工程投產(chǎn)后取得了滿(mǎn)意的效 果。不同類(lèi)型的信號(hào)分別由不同電纜傳輸,信號(hào)電纜應(yīng)按傳輸信號(hào)種類(lèi)分層

15、敖設(shè),嚴(yán)禁用同 一電纜的不同導(dǎo)線(xiàn)同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào),避免信號(hào)線(xiàn)與動(dòng)力電纜靠近平行敖設(shè),以減少 電磁干擾。4.3 硬件濾波及軟件抗干擾措施信號(hào)在接入計(jì)算機(jī)前,在信號(hào)線(xiàn)與地間并接電容,以減少共模干擾;在信號(hào)兩極間加裝 濾波器可減少差模干擾。由于電磁干擾的復(fù)雜性, 要根本消除干擾影響是不可能的, 因此在 PLC 控制系統(tǒng)的軟件 設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí),還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。常用的一些措 施:數(shù)字濾波和工頻整形采樣,可有效消除周期性干擾;定時(shí)校正參考點(diǎn)電位,并采用動(dòng)態(tài) 零點(diǎn),可有效防止電位漂移;采用信息冗余技術(shù),設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件標(biāo)志位;采用間接跳轉(zhuǎn), 設(shè)置軟件陷阱等提高軟件結(jié)構(gòu)

16、可靠性。4.4 正確選擇接地點(diǎn),完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個(gè),其一為了安全,其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是 PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有:浮地方式、 直接接地方式和電容接地三種方式。 對(duì) PLC 控制系統(tǒng)而言, 它屬高速低電平控制裝置,應(yīng)采用直接接地方式。由于信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響,裝置之間的信號(hào)交換頻率一般都低于 1MHz ,所以 PLC 控制系統(tǒng)接地線(xiàn)采用一點(diǎn)接 地和串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。 集中布置的 PLC 系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式, 各裝置的柜體中心接 地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線(xiàn)引向接地極。如果裝置間距較大,應(yīng)采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。用一根大 截

17、面銅母線(xiàn) (或絕緣電纜 連接各裝置的柜體中心接地點(diǎn), 然后將接地母線(xiàn)直接連接接地極。 接地線(xiàn)采用截面大于 22mm 2的銅導(dǎo)線(xiàn),總母線(xiàn)使用截面大于 60mm 2的銅排。接地極的接地 電阻小于 2, 接地極最好埋在距建筑物 1015m 遠(yuǎn)處, 而且 PLC 系統(tǒng)接地點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè) 備接地點(diǎn)相距 10m 以上。信號(hào)源接地時(shí),屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地;不接地時(shí),應(yīng)在 PLC 側(cè)接地;信號(hào)線(xiàn)中間有接 頭時(shí),屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理,一定要避免多點(diǎn)接地;多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞 線(xiàn)與多芯對(duì)絞屏蔽電纜連接時(shí),各屏蔽層應(yīng)相互連接好,并經(jīng)絕緣處理。選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥?單點(diǎn)接點(diǎn)。5 結(jié)束語(yǔ)PLC 控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題,因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面 的因素,合理有效地抑制抗干擾,對(duì)有些干擾情況還需做具體分析,采取對(duì)癥下藥的方法, 才能夠使 PLC 控制系統(tǒng)正常工作。本人在多個(gè) PLC 項(xiàng)目中,依據(jù)此研究成果,節(jié)約資金達(dá) 二十萬(wàn)元。參考文獻(xiàn):1周萬(wàn)珍 . 高鴻斌 .PLC 分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用