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PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用的抗干擾問題

分析了電磁干擾及其對(duì)PLC控制系統(tǒng)干擾機(jī)制，指出工程應(yīng)用時(shí)必須綜合考慮控制系統(tǒng)抗干擾性能，并結(jié)合工程提出了幾種有效抗干擾措施。

　　1 概述

　　科學(xué)技術(shù)發(fā)展，PLC工業(yè)控制中應(yīng)用越來越廣泛。PLC控制系統(tǒng)可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)抗力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行關(guān)鍵。自動(dòng)化系統(tǒng)中所使用各種類型PLC，有是集中安裝控制室，有是安裝生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和各電機(jī)設(shè)備上，它們大多處強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成惡劣電磁環(huán)境中。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，要求PLC生產(chǎn)廠家用提高設(shè)備抗力；另，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題，有效增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性能。

　　2 電磁干擾源及對(duì)系統(tǒng)干擾

　　2.1 干擾源及干擾一般分類

　　影響PLC控制系統(tǒng)干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備干擾源一樣，大都產(chǎn)生電流或電壓劇烈變化部位，這些電荷劇烈移動(dòng)部位就是噪聲源，即干擾源。

　　干擾類型通常按干擾產(chǎn)生原因、噪聲干擾模式和噪聲波形性質(zhì)不同劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲波形、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分類方法。共模干擾是信號(hào)對(duì)電位差，主要由電網(wǎng)串入、電位差及空間電磁輻射信號(hào)線上感應(yīng)共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓較大，特別是采用隔離性能差配電器供電室，變送器輸出信號(hào)共模電壓普遍較高，有可高達(dá)130V以上。共模電壓不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高主要原因），這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成電壓，這種讓直接疊加信號(hào)上，直接影響測(cè)量與控制精度。

　　2.2 PLC控制系統(tǒng)中電磁干擾主要來源

　　2.2.1 來自空間輻射干干擾

　　空間輻射電磁場(chǎng)（EMI）主由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生，通常稱為輻射干擾，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，其影響主要兩條路徑：一是直接對(duì)PLC內(nèi)部輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；對(duì)PLC通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)輻射，由通信線路感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生電磁場(chǎng)大小，特別是頻率有關(guān)，一般設(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 來自系統(tǒng)外引線干擾

　　主要電源和信號(hào)線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。這種干擾我國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較嚴(yán)重。

　?。?）來自電源干擾

　　實(shí)踐證明，因電源引入干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障情況很多，筆者某工程調(diào)試中遇到過，后更換隔離性能更高PLC電源，問題才到解決。

　　PLC系統(tǒng)正常供電電源均由電網(wǎng)供電。電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而線路上感應(yīng)電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部變化，入開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都輸電線路傳到電源原邊。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，分布參數(shù)特別是分布電容存，優(yōu)良隔離是不可能。

　?。?）來自信號(hào)線引入干擾

　　與PLC控制系統(tǒng)連接各類信號(hào)傳輸線，傳輸有效各類信息之外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是變送器供電電源或共用信號(hào)儀表供電電源串入電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)干擾，即信號(hào)線上外部感應(yīng)干擾，這是很嚴(yán)重。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。隔離性能差系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起共系統(tǒng)總線回流，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模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重，由此引起系統(tǒng)故障情況也很多。

　?。?）來自接系統(tǒng)混亂時(shí)干擾

　　接是提高電子設(shè)備電磁兼容性（EMC）有效手段之一。正確接，既能抑制電磁干擾影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯(cuò)誤接，會(huì)引入嚴(yán)重干擾信號(hào)，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。

　　PLC控制系統(tǒng)線包括系統(tǒng)、屏蔽、交流和保護(hù)等。接系統(tǒng)混亂對(duì)PLC系統(tǒng)干擾主各個(gè)接點(diǎn)電位分布不均，不同接點(diǎn)間存電位差，引起環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接，電纜屏蔽層兩端A、B都接，就存電位差，有電流流過屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí)，線電流將更大。

　　此外，屏蔽層、接線和大有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，變化磁場(chǎng)作用下，屏蔽層內(nèi)有會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，屏蔽層與芯線之間耦合，干擾信號(hào)回路。若系統(tǒng)它接處理混亂，所產(chǎn)生環(huán)流就可能線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路正常工作。PLC工作邏輯電壓干擾容限較低，邏輯電位分布干擾容易影響PLC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)。模擬電位分布將導(dǎo)致測(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作。

　　2.2.3 來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部干擾

　　主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路影響，模擬與邏輯相互影響及元器件間相互不匹配使用等。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)內(nèi)容，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門是無法改變，可不多考慮，但要選擇具有較多應(yīng)用實(shí)績(jī)或考驗(yàn)系統(tǒng)。

　　3 PLC控制系統(tǒng)工程應(yīng)用抗干擾設(shè)計(jì)

　　保證系統(tǒng)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傳播途徑；提高裝置和系統(tǒng)抗力。這三點(diǎn)就是抑制電磁干擾基本原則。

　　PLC控制系統(tǒng)抗干擾是一個(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)抗力產(chǎn)品，且有賴于使用部門工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以**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)電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。進(jìn)行具體工程抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)主要以下兩個(gè)方面。

　　3.1 設(shè)備選型

　　選擇設(shè)備時(shí)，首先要選擇有較高抗力產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性（EMC），尤其是抗外部力，如采用浮技術(shù)、隔離性能好PLC系統(tǒng)；其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出抗干擾指標(biāo)，如共模擬制比、差模擬制比，耐壓能力、允許多大電場(chǎng)強(qiáng)度和多高頻率磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中工作；另外是靠考查其類似工作中應(yīng)用實(shí)績(jī)。

　　選擇國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品要注意：我國(guó)是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。我國(guó)電網(wǎng)內(nèi)阻大，零點(diǎn)電位漂移大，電位變化大，工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾至少要比歐美區(qū)高4倍以上，對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能要求更高，國(guó)外能正常工作PLC產(chǎn)品國(guó)內(nèi)工業(yè)就不一定能可靠運(yùn)行，這就要采用國(guó)外產(chǎn)品時(shí)，按我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13926）合理選擇。

　　3.2 綜合抗干擾設(shè)計(jì)

　　主要考慮來自系統(tǒng)外部幾種抑制措施。主要內(nèi)容包括：對(duì)PLC系統(tǒng)及外引線進(jìn)行屏蔽空間輻射電磁干擾；對(duì)外引線進(jìn)行隔離、濾波，特別是原理動(dòng)力電纜，分層布置，外引線引入傳導(dǎo)電磁干擾；正確設(shè)計(jì)接點(diǎn)和接裝置，完善接系統(tǒng)。另外還必須利用軟件手段，進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全可靠性。

　　4 主要抗干擾措施

　　4.1 采用性能優(yōu)良電源，抑制電網(wǎng)引入干擾

　　PLC控制系統(tǒng)中，電源占有極重要位。電網(wǎng)干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要PLC系統(tǒng)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)具有直接電氣連接儀表供電電源等耦合進(jìn)入?，F(xiàn)，PLC系統(tǒng)供電電源，一般都采用隔離性能較好電源，而變送器供電電源和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接儀表供電電源，并沒受到足夠重視，采取了一定隔離措施，但普遍還不夠，主使用隔離變壓器分布參數(shù)大，抑制力差，經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。，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)）配電器，以減少PLC系統(tǒng)干擾。

　　此外，位保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷，可采用線式不間斷供電電源（UPS）供電，提高供電安全可靠性。UPS還具有較強(qiáng)干擾隔離性能，是一種PLC控制系統(tǒng)理想電源。

　　4.2 電纜選擇敖設(shè)

　　減少動(dòng)力電纜輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜。筆者某工程中，采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，降低了動(dòng)力線生產(chǎn)電磁干擾，該工程投產(chǎn)后取了滿意效果。

　　不同類型信號(hào)分別由不同電纜傳輸，信號(hào)電纜應(yīng)按傳輸信號(hào)種類分層敖設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜不同導(dǎo)線同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào)，避免信號(hào)線與動(dòng)力電纜靠**行敖設(shè)，以減少電磁干擾。

　　4.3 硬件濾波及軟件抗措施

　　信號(hào)接入計(jì)算機(jī)前，信號(hào)線與間并接電容，以減少共模干擾；信號(hào)兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

　　電磁干擾復(fù)雜性，要根本消除迎接干擾影響是不可能，PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí)，還應(yīng)軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。常用一些措施：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)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)可靠性。

　　4.4 正確選擇接點(diǎn)，完善接系統(tǒng)

　　接目通常有兩個(gè)，其一安全，其二是抑制干擾。完善接系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾重要措施之一。

　　系統(tǒng)接方式有：浮方式、直接接方式和電容接三種方式。對(duì)PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接方式。信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等影響，裝置之間信號(hào)交換頻率一般都低于1MHz，PLC控制系統(tǒng)接線采用一點(diǎn)接和串聯(lián)一點(diǎn)接方式。集中布置PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接方式，各裝置柜體中心接點(diǎn)以單獨(dú)接線引向接極。裝置間距較大，應(yīng)采用串聯(lián)一點(diǎn)接方式。用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置柜體中心接點(diǎn)，然后將接母線直接連接接極。接線采用截面大于22mm2銅導(dǎo)線，總母線使用截面大于60mm2銅排。接極接電阻小于2Ω，接極*好埋距建筑物10 ~ 15m遠(yuǎn)處，PLC系統(tǒng)接點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接點(diǎn)相距10m以上。 信號(hào)源接時(shí)，屏蔽層應(yīng)信號(hào)側(cè)接；不接時(shí)，應(yīng)PLC側(cè)接；信號(hào)線中間有接頭時(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；多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞總屏電纜連接時(shí)，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理。選擇適當(dāng)接處單點(diǎn)接點(diǎn)。

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