PLC控制系统应用的抗干扰问题
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中图分类号: TP312文献标识码:A
【摘要】:可编程控制器(PLC)在工业控制中应用越来越广泛,而PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行,因此PLC在应用中必须提高其系统的抗干扰能力。本文作者根据多年设计、安装和使用经验,提出了使用中应注意的若干问题,以提请使用者的注意。
【关键词】: PLC 干扰源 抗干扰设计 软件 控制系统 抑制电磁干扰 直接影响 抗干扰能力 共模干扰 差模干扰
1 概述
随着科学技术的发展,PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC,有的是集中安装在控制室,有的是安装在生产现场和各电机设备上,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性,一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力;另一方面,要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视,多方配合才能完善解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能。
2 电磁干扰源及对系统的干扰
2.1 干扰源及干扰一般分类
干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中:按噪声产生的原因不同,分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;按噪声的波形、性质不同,分为持续噪声、偶发噪声等;按噪声干扰模式不同,分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差,主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的配电器供电室,变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压,直接影响测控信号,造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因),这种共模干扰可为直流、亦可为交流。
2.2 PLC控制系统中电磁干扰的主要来源
2.2.1 来自空间的辐射干干扰
空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的,通常称为辐射干扰,其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内,就回收到辐射干扰,其影响主要通过两条路径:一是直接对PLC内部的辐射,由电路感应产生干扰;而是对PLC通信内网络的辐射,由通信线路的感应引入干扰。
2.2.2 来自系统外引线的干扰
主要通过电源和信号线引入,通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。
(1)来自电源的干扰
PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广,它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化,入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源,但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。
(2)来自信号线引入的干扰
与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信息之外,总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。
(3)来自接地系统混乱时的干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地,既能抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地,反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统将无法正常工作。
2.2.3 来自PLC系统内部的干扰
主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生,如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响,模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容,比较复杂,作为应用部门是无法改变,可不必过多考虑,但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
3 PLC控制系统工程应用的抗干扰设计
为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰,必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施:抑制干扰源;切断或衰减电磁干扰的传播途径;提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。
3.1 设备选型
在选择设备时,首先要选择有较高抗干扰能力的产品,其包括了电磁兼容性(EMC),尤其是抗外部干扰能力,如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统;其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标,如共模拟制比、差模拟制比,耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作;另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。
3.2 综合抗干扰设计
主要考虑来自系统外部的几种如果抑制措施。主要内容包括:对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰;对外引线进行隔离、滤波,特别是原理动力电缆,分层布置,以防通过外引线引入传导电磁干扰;正确设计接地点和接地装置,完善接地系统。另外还必须利用软件手段,进一步提高系统的安全可靠性。
4 主要抗干扰措施
4.1 采用性能优良的电源,抑制电网引入的干扰
在PLC控制系统中,电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU 电源、I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在,对于PLC系统供电的电源,一般都采用隔离性能较好电源,而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源,并没受到足够的重视,虽然采取了一定的隔离措施,但普遍还不够,主要是使用的隔离变压器分布参数大,抑制干扰能力差,经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。
4.2 电缆选择的敖设
为了减少动力电缆辐射电磁干扰,尤其是变频装置馈电电缆。笔者在某工程中,采用了铜带铠装屏蔽电力电缆,从而降低了动力线生产的电磁干扰,该工程投产后取得了满意的效果。
4.3 硬件滤波及软件抗如果措施
由于电磁干扰的复杂性,要根本消除迎接干扰影响是不可能的,因此在PLC控制系统的软件设计和组态时,还应在软件方面进行抗干扰处理,进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施:数字滤波和工频整形采样,可有效消除周期性干扰;定时校正参考点电位,并采用动态零点,可有效防止电位漂移;采用信息冗余技术,设计相应的软件标志位;采用间接跳转,设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。
4.4 正确选择接地点,完善接地系统
接地的目的通常有两个,其一为了安全,其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
5 结束语
PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题,因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素,合理有效地抑制抗干扰,对有些干扰情况还需做具体分析,采取对症下药的方法,才能够使PLC控制系统正常工作。
参考文献:
1朱绍祥,等编译. 可编程控制器原理及应用.上海:上海交通大学出版社,1998.
2林小峰编. 可编程序控制器原理及应用.北京:高等教育出版社,1995.
3上海工业自动化仪表研究所.三菱超小型F1系列可编程序控制器.1990.
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