1 PLC控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源
1.1 來自電源的干擾
工業(yè)現(xiàn)場種類繁多的動力設(shè)備的啟停運(yùn)轉(zhuǎn),可能引起電源過壓、欠壓、浪涌、下陷及產(chǎn)生尖峰干擾,這些干擾均會通過耦合到PLC 系統(tǒng)的電路,給系統(tǒng)造成極大的危害。同樣,這些干擾源也能以電磁場方式作用到PLC系統(tǒng)上而造成干擾。例如:某廠在氮化爐控制系統(tǒng)最初采用調(diào)壓方式進(jìn)行爐溫控制,常常造成近百伏的瞬時過壓或欠壓形成涌流,嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。
1.2 信號通道干擾
信號通道干擾:一是通過變送器供電電源或共用儀表的供電電源竄入的電網(wǎng)干擾;二是信號線受空間電磁輻射的干擾。由信號線引入的干擾會引起1/0信號工作異常和測量精度大大降低,嚴(yán)重時將引起元器件損傷。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、誤動作和死機(jī)。
1.3 來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾
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。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控制系統(tǒng)無法正常工作。
接地系統(tǒng)混亂使各個接地點(diǎn)電位分布不均,引起地環(huán)路電流,影響系統(tǒng)正常工作。此外,屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路,在變化磁場的作用下,屏蔽層內(nèi)有會出現(xiàn)感應(yīng)電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,形成干擾信號回路。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。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)混亂或死機(jī)。
1.4 來自空間的輻射干干擾
在工業(yè)環(huán)境中,空間電磁波污染十分嚴(yán)重?？臻g輻射干擾以電磁感應(yīng)的方式通過檢測系統(tǒng)的殼體、導(dǎo)線等形成接收電路,造成對系統(tǒng)的干擾——輻射干擾,其分布極為復(fù)雜。在此情況下,干擾主要通過兩條路徑:一是直接對PLC內(nèi)部的輻射產(chǎn)生干擾;二是對PLC通信與接口網(wǎng)絡(luò)的輻射引入干擾。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、PLC局部屏蔽、建立高壓泄放回路進(jìn)行保護(hù)。
2 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計與施工
2.1 設(shè)備選型
首先應(yīng)選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品, 如:采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC;其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo),按我國的標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13926)合理選擇。 再次在設(shè)備選型時,應(yīng)注意PLC的輸入、輸出方式。在設(shè)計時,應(yīng)盡量選用可靠性高的元器件。例如:選用可靠性高的接近開關(guān)代替機(jī)械限位開關(guān)。對于直流與交流信號分別使用各自的電纜;對于系統(tǒng)的輸入、輸出信號線、必須使用屏蔽電纜,屏蔽電纜在輸入、輸出側(cè)懸空,而在控制側(cè)接地。
2.2 綜合抗干擾設(shè)計
2.2.1 電源抗干擾措施
在PLC控制系統(tǒng)中,電網(wǎng)引入的干擾主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源、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。因此,對于PLC系統(tǒng)供電的電源,可以采用隔離性能較好電源,例如:UPS。
2.2.2 通道抗干擾措施
(1)通道隔離技術(shù)。
對于系統(tǒng)通道來說,由于測控點(diǎn)離控制中心很遠(yuǎn),對每個測控量的輸入,輸出通道兩端,無論是模擬量還是數(shù)字量,接地點(diǎn)不可能等電壓,這樣,就會在通道中形成地環(huán)路電流。另外,別的干擾也會通過通道竄入系統(tǒng)。因此,采用隔離技術(shù)能很好地抑制這種干擾。對數(shù)字量來說,可以采用光電耦合器、繼電器等器件隔離,并輔以施密特、RC等濾波、整形電路;對模擬量來說,則可以采用線性光耦、隔離變壓器、隔離放大器、差動放大電路等方法予以解決。
在I/O通道有感性負(fù)載時,為了防止電路信號突變而產(chǎn)生感應(yīng)電勢的影響,對于交流負(fù)載,應(yīng)在線圈兩端并聯(lián)RC吸收電路。對于直流輸入信號,可并接續(xù)流二極管。
(2)接地技術(shù)。
在PLC控制系統(tǒng)中,接地是抑制干擾的主要方法。系統(tǒng)接地方式有:浮地方式、直接接地方式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1MHz,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。接地極的接地電阻小于5Ω,接地極最好埋在距建筑物10 - 15m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10M以上。
信號源接地時,屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地;信號線中間有接頭時, 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;多芯電纜連接時,各屏蔽層也應(yīng)相互連接好,并經(jīng)絕緣處理,為此可以采用航空插頭進(jìn)行連接。
(3)屏蔽技術(shù)。
屏蔽技術(shù)是破壞“場”干擾途徑的重要方法,筆者在上述工程的現(xiàn)場參數(shù)檢測中,就深刻體會到:正確的屏蔽技術(shù)與接地技術(shù)結(jié)合,可以取得良好的抗干擾效果。
導(dǎo)線間的相互干擾,主要是通過三種耦合產(chǎn)生的:其一是電容性耦合,即兩回路的電場相互作用的結(jié)果;其二是電感性耦合,即兩個回路的磁場相互作用的結(jié)果:其三是電場和磁場組合而成的,又稱電磁耦合或輻射。對于導(dǎo)線間的電磁干擾,可采用兩種主要方法抑制:一是抑制干擾源、二是屏蔽干擾源。抑制干擾源是將干擾源遠(yuǎn)離易受干擾的信號線,即嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時傳送動力電源和信號,避免信號線與動力電纜靠近平行敖設(shè),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敖設(shè),將強(qiáng)、弱信號線遠(yuǎn)離,以減少電磁干擾。
2.2.3 空間的抗干擾措施
空間的干擾主要來自空間的多種電磁波,這些電磁波以電磁感應(yīng)的方式通過系統(tǒng)的導(dǎo)線、殼體等形成接受電路,造成對電路的干擾?？垢蓴_的措施主要有:
其一,屏蔽:在干擾源的周圍加上屏蔽層,并將屏蔽層一點(diǎn)接地;
其二,是使用雙絞線、同軸電纜、光纜和屏蔽電纜等纜線防止耦合干擾;
其三,浮地。信號地與機(jī)殼、大地浮空,使電路與機(jī)殼或大地之間無直流聯(lián)系。這就加大了信號地與外界的阻抗, 阻斷了干擾電流的通路;
其四,可在信號通道中設(shè)置濾波器,以濾除干擾。
2.3 采用軟件抗抗干擾措施
硬件的抗干擾措施可以大大提高系統(tǒng)的測控精度和工作可靠性,而系統(tǒng)的抗干擾又不能完全依靠硬件解決。因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和組態(tài)時,還應(yīng)從軟件方面進(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;定時校正參考點(diǎn)電位,并采用動態(tài)零點(diǎn),可有效防止電位漂移;采用指令、數(shù)據(jù)冗余技術(shù);設(shè)計相應(yīng)的軟件標(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。
3 結(jié)語
PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復(fù)雜的問題,在抗干擾設(shè)計中應(yīng)綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制干擾,對有些干擾情況還需做具體分析,采取對癥下藥的方法,才能夠使 PLC控制系統(tǒng)正常工作,取得了滿意的效果。
