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PLC程控系统抗干扰技术

来源:用户上传      作者: 肖雪耀 祖国建

  摘要:分析了PLC程控系统受干扰的主要因素,指出了实际工程应用中必须综合考虑程控系统的抗干扰性能,提出了几种具有实用价值的抗干扰技术。
  关键词:PLC程控系统 电磁干扰 光电耦合 抗干扰技术
  
  1 引言
   可编程控制器(PLC)是在传统的顺序控制器的基础上引入微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置,目的是建立柔性的程控系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。在工业控制领域中,PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。
   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,有的是分散安装在生产现场的各单机设备上,它们大多处在强电电路所形成的恶劣电磁环境中,如强磁场、强腐蚀、高粉尘、剧烈的冲击和振动,将不能保证PLC正常、安全地运行。PLC程控系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。
   要提高PLC控制系统可靠性,一方面要求PLC生产厂家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。因此,研究PLC控制系统的抗干扰措施具有十分重要的现实的意义。
  
  2 PLC程控系统的干扰因素
  2.1 PLC程控系统的干扰因素:主要是外部环节和硬件配置不当所引起的。
   一是电源的干扰,如电压波动、射频干扰等,它沿电源侵入到PLC装置。
   二是传输线路的干扰,通过信号线与电源线之间的寄生电容引起的静电耦合的干扰,及发生在布线间的寄生互感上的磁场耦合的干扰。
   三是接地系统混乱引起的干扰。
  2.2 传导干扰
   来自系统外引线的干扰,主要通过电源和信号线引入,统称传导干扰。
  2.2.1 来自电源的干扰
   PLC程控系统的正常供电电源均由电网供电,但电网覆盖广,它将受到空间电磁干扰而在线路上产生感应电压和电流。尤其是电网内部的变化,如开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,会通过输电线路传到电源原边。
  2.2.2 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,还会传输外部干扰信号侵入系统。此干扰主要有两种途径:一是通过现场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;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,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。
  2.2.3 来自混乱接地系统的干扰
   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。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在地电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。
  2.3 辐射干扰
   PLC程控系统中电磁场干扰来自空间的辐射电磁场的辐射干扰。空间的辐射电磁场主要是由电力网路、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、雷达、高频感应加热设备等产生的电磁场对线路、导线、壳体上的辐射、吸收与调制,其分布极为复杂。
   辐射干扰的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;二是对PLC通信网络的辐射,由通信线路的感应引入干扰。
  2.4 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。
   这些都属于PLC制造厂对系统设计的内容,作为应用部门可不必过多考虑,但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
  
  3 抗干扰措施
  3.1 应用性能优良的电源,抑制电网引入的干扰
   PLC程控系统供电电源一般采用隔离性能较好的电源,各种电源分别配线,隔离变压器的一次侧接AC380V为好,以避免地电流的干扰。
   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,采用在线式不间断供电电源(UPS)供电,它是一种PLC程控系统的理想电源。
  3.2 合理选择和敷设电缆
   为了减少动力电缆辐射电磁干扰,应采用铜带铠装屏蔽电力电缆。
   不同类型的信号分别由不同电缆传输,信号电缆应按传输信号种类分层敷设,严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号。
   若要求动力电缆与输入输出信号电缆并行放置,那么两者之间至少应相隔300 mm;如果将它们放在一个槽内时,它们之间必须间隔100 mm以上,且要用接地的金属板屏蔽起来。
  3.3 使用硬件滤波及软件抗干扰措施
   信号在接入计算机前,在信号线与地间并接电容,以减少共模干扰;在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。
   当按钮、开关作为输入信号时,则不可避免产生抖动;输入信号是继电器触点,有时会产生瞬间跳动,会引起系统误动作。可采用定时器延时来去掉抖动,定时时间根据触点抖动情况和系统要求的响应速度而定,这样可保证触点稳定闭合(或断开后)才执行。
   对于模拟信号,可采用多种软件滤波方法来提高数据的可靠性。连续采样多次,采样数据先后存放在不同的数据寄存器中,经比较后取中间值或平均值作为当前输入值。
  3.4 采用隔离继电器和接触器隔离干扰
   首先,PLC程控系统的输入/输出回路采用光电耦合器隔离。
   为了设备和人身安全及彻底的隔离干扰,采取在PLC开关模块(I/O)和MCC间通过隔离继电器来传递信号。为了避免不同的电压等级混合冲突,尽可能独立使用接触器上一组接点,应该保留一些至关重要的联锁装置。
  3.5 完善接地系统
   PLC程控系统属高速低电平控制装置,应采用直接接地方式。PLC程控系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式,集中布置的PLC程控系统适于并联一点接地方式。各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大,应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点,然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面积大于22mm2的铜导线,接地总母线采用用截面积大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω,且PLC程控系统接地点与强电设备接地点相距15m以上。
   信号源接地时,屏蔽层应在信号侧接地;不接地时,应在PLC侧接地;信号线中间有接头时,屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理,一定要避免多点接地。
  
  4 结语
   PLC程控系统中的干扰是一个十分复杂的问题,在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素,对工作环境作全面的分析,采取对应的抗干扰措施,才能够使PLC程控系统长期顺利地工作。
  
  参考文献
  [1] 祖国建.电气控制与PLC[M].武汉:华中科技大学出版社,2010.
  [2] 陈晓平.电气安全[M].北京:机械工业出版社,2004.
  [3] 汤媛.PLC控制系统产生干扰的原因及抗干扰措施[J].石油化工建设,2005(6).


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