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类型分类:
科普知识
数据分类:
微控制器MCU
可编程序控制器系统的抗干扰及措施
发布日期:2022-04-22 点击率:
128
[摘 要]文章分析了电磁干扰及其对PLC控制系统干扰的机理,指出在工程应用时必须综合考虑控制系统的抗干扰性能,提出了几种有效的抗干扰措施。
[作者简介]王琼(1972- ),男,广东湛江人,广东红
海湾
发电有限公司助理工程师,研究方向:火电厂电气检修。
可编程控制器(以下称PLC)是一种用于工业生产自动化控制的设备。但运行中许多外部因素使它产生干扰,造成程序误变或运算错误,从而产生误输入并引起误输出,这将会造成设备的失控和误动作。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。随着PLC应用的日渐广泛,其抗干扰问题也显得日益重要。本文就此问题提出一些抗干扰的措施。
1 PLC系统中干扰的主要来源及途径
1.1来自空间的辐射干扰
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;二是对PLC通信内网络的辐射,由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小,特别是频率有关,一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。
1.2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。
1.2.1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。实际上,由于分布参数特别是分布电容的存在,绝对隔离是不可能的。
1.2.2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,总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:
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;
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。对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统
总线
回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重,由此引起系统故障的情况也很多。
1.2.3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。
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。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。例如电缆屏蔽层必须一点接地,如果电缆屏蔽层两端A、B都接地,就存在地电位差,有电流流过屏蔽层,当发生异常状态如雷击时,地线电流将更大。
此外,屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内有会出现感应电流,通过屏蔽层与芯线之间的耦合,干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱,所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布,影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低,逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降,引起对信号测控的严重失真和误动作。
1.3 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。
2主要抗干扰措施
2.1 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。所以,对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器,以减少PLC系统的干扰。
此外,为保证电网馈点不中断,可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电,提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能,是一种PLC控制系统的理想电源。
2.2 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。
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敖设,严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号,避免信号线与动力电缆靠近平行敖设,以减少电磁干扰。
2.3 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。
对干较低信噪比的模拟量信号.常因现场瞬时干扰而产生较大波动,若仅用瞬时采样植进行控制计算会产生较大误差,为此可采用数字滤波方法。现场模拟量信号经A/D转换后变成离散的数字信号,然后将形成的数据按时间序列存入PLC内存。再利用数字滤波程序对其进行处理,滤去噪声部分获得单纯信号, 可对输入信号用m次采样值的平均值来代替当前值,但井不是通常的每采样。次求一次平均值,而是每采样一次就与最近的m-l次历史采样值相加,此方法反应速度快,具有很好的实时性,输入信号经过处理后用干信号显示或回路调节,有效地抑制了噪声干扰。
由干工业环境恶劣,干扰信号较多, I/ O信号传送距离较长,常常会使传送的信号有误。为提高系统运行的可靠性,使PLC在信号出错情况下能及时发现错误,并能排除错误的影响继续工作,在程序编制中可采用软件容错技术。
2.4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。
系统接地方式有:浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言,它属高速低电平控制装置,应采用直接接地方式。PLC控制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。接地线采用截面大于22 mm2的铜导线,总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω,接地极最好埋在距建筑物10~15m远处(或与控制器间不大于50m),而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m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;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时,各屏蔽层应相互连接好,并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。
3 结 语
以上的措施,经若干PLC控制系统现场实际运行表明,能够基本消除现场干扰信号的影响,保证系统的可靠运行。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]陈在平,赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计[M].北京:机械工业出版社,2002.
[2]常恒毅.可编程序控制器[M].北京:人民邮电出版社,1991.
[3]袁任光.可编程序控制器应用技术与实例[M].广州:华南理工大学出版社,1997.
[4]王卫兵,等.可编程序控制器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,1997.
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