點(diǎn)擊圖片查看大圖XGI-D22A隨著工業(yè)設(shè)備自動化控制技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器PLC在工業(yè)設(shè)備控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到企業(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。本文詳細(xì)介紹了影響PLC運(yùn)行的干擾類型及來源，XGI-D22A并提出抗干擾設(shè)計(jì)的實(shí)施策略。
自動化系統(tǒng)所使用的各種類型PLC中，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場和各電機(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)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力，另一方面要求應(yīng)用部門在工程設(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，有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。
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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，這些電荷劇烈移動的部位就是干擾源。
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干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因噪聲干擾模式和噪聲波形性質(zhì)來劃分。按噪聲產(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，可分為持續(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方法。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(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時(shí)，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)0V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，影響測控信號，造成元器件損壞這就是一些系統(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。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的，這種干擾疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。
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來自空間的輻射干擾。空間輻射電磁場EMI主要是由電力網(wǎng)絡(luò)電氣設(shè)備的暫態(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)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。若PLC系統(tǒng)置于其射頻場內(nèi)，就會受到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小特別是頻率有關(guān)，一般通過設(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)
來自系統(tǒng)外引線的干擾。主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較為嚴(yán)重，主要有下面三類：
類是來自電源的干擾。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，后更換隔離性能更高的PLC電源問題才得到解決。
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路上感應(yīng)電壓和電流，尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化開關(guān)操作浪涌大型電力設(shè)備起停交直流傳動裝置引起的諧波電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但因其機(jī)構(gòu)及制造工藝等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，隔離是不可能的。
第二類是來自信號線引入的干擾。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾，這種往往非常嚴(yán)重。
由信號引入的干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化誤動和死機(jī)。PLC控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。
第三類是來自接地系統(tǒng)混亂的干擾。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；而錯誤的接地反而會引入嚴(yán)重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)無法正常工作。 PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(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。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽層兩端AB都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層。當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí)，地線電流將更大。
此外，屏蔽層接地線和大地可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)會出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。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)致測量精度下降，引起對信號測控的嚴(yán)重失真和誤動作。
來自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制造廠家對系統(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)用部門無法改變，可不必過多考慮，但要選擇具有較多應(yīng)用實(shí)績或經(jīng)過考驗(yàn)的系統(tǒng)。
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，且有賴于使用部門在工程設(shè)計(jì)安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮，并結(jié)合具體情況進(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)主要注意以下兩個(gè)方面。
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，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)廠家給出的抗干擾指標(biāo)，如共模抑制比差模抑制比耐壓能力允許在多大電場強(qiáng)度和多高頻率的磁場強(qiáng)度環(huán)境中工作等；另外是靠考查其在類似工作中的應(yīng)用實(shí)績。
在選擇國外進(jìn)口產(chǎn)品要注意，我國是采用0V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是0V低內(nèi)阻電網(wǎng)。由于我國電網(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)場的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高倍以上，對系統(tǒng)抗干擾性能要求更高。在國外能正常工作的PLC產(chǎn)品在國內(nèi)工業(yè)就不一定能可靠運(yùn)行，這就要在采用國外產(chǎn)品時(shí)，按我國的標(biāo)準(zhǔn)GB/T合理選擇。
綜合抗干擾設(shè)計(jì)。主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種抑制措施，內(nèi)容包括：對PLC系統(tǒng)及外引線進(jìn)行屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對外引線進(jìn)行隔離濾波，特別是動力電纜應(yīng)分層布置，以防通過外引線引入傳導(dǎo)電磁干擾；正確設(shè)計(jì)接地點(diǎn)和接地裝置，完善接地系統(tǒng)。另外還必須利用軟件手段，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性。
采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾。
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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?，F(xiàn)在對于PLC系統(tǒng)供電的電源，一般都采用隔離性能較好的電源，而對于變送器供電電源以及和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表供電電源，并沒受到足夠的重視。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，抑制干擾能力差，經(jīng)電源耦合而串入共模干擾差模干擾。所以對于變送器和共用信號儀表供電應(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，為保證電網(wǎng)饋電不中斷，可采用在線式不間斷供電電源UPS供電，提高供電的性。而且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。
正確選擇電纜的和實(shí)施敷設(shè)。
為了減少動力電纜尤其是變頻裝置饋電電纜的輻射電磁干擾，筆者在某工程中采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，降低了動力線產(chǎn)生的電磁干擾，該工程投產(chǎn)后取得了滿意的效果。
不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應(yīng)按傳輸信號種類分層敷設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時(shí)傳送動力電源和信號，避免信號線與動力電纜靠近平行敷設(shè)，以減少電磁干擾。
硬件濾波及軟件抗干擾措施。
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信號在接入計(jì)算機(jī)前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號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。常用的一些提高軟件結(jié)構(gòu)可靠性的措施包括：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，并采用動態(tài)零點(diǎn)，可防止電位漂移；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)置軟件保護(hù)等。
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)，一為了安全，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。
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系統(tǒng)接地有浮地直接接地和電容接地三種方式。對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。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點(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，用一根大截面銅母線或絕緣電纜連接各裝置的柜體中心接地點(diǎn)，然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于mm的銅導(dǎo)線，總母線使用截面大于0mm的銅排。接地極的接地電阻小于Ω，接地極好埋在距建筑物0～m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0m以上。
信號源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地；不接地時(shí)，應(yīng)在PLC側(cè)接地；信號線中間有接頭時(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)接地。多個(gè)測點(diǎn)信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時(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)慕拥靥巻吸c(diǎn)接地。
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