PLC控制系统应用的抗干扰措施

【摘要】文章分析了PLC控制系统中干扰的主要来源及其对系统的影响,结合PLC的工程实际应用,提出了几种有效的抗干扰措施,希望引起使用者注意。

【关键词】抗干扰;PLC;动力设备

随着科学技术的日新月异,近年来,PLC的应用领域越来越广泛,成为工业自动控制领域的主流控制设备,在各行各业发挥着越来越大的作用。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济效益。由于实际生产现场环境极其复杂,对自动控制系统产生的干扰已经成为不可能回避的问题。虽然PLC是专门为工业生产环境设计的自动控制装置,一般不采取什么特殊措施便可直接应用于工业环境,但是如果使用环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈、或安装使用不当,都不能保证PLC正常安全运行,干扰可能使PLC接收到错误信号,造成误动作、数据丢失,甚至使系统失控。所以PLC控制系统在工程设计、安装施工和使用维护中要引起高度重视,采取相应的可靠抗措施,多方配合消除干扰的影响,才能保证系统的正常运行。

一、PLC控制系统中干扰的主要来源

(一)来自变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备的干扰

实践证明,电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多。PLC电源通常采用隔离电源,但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性能并不是很理想,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。

变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备均为工频,频率较低,干扰一般发生在近场,而近场中随着干扰源的特性不同,电场分量和磁场分量有着很大差别。特别是大型动力设备启动时,瞬间电流能够达到额定电流的6~11倍,会产生大电流冲击的暂态干扰。

(二)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,总会有外部干挽信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变压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;二是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、误动作和死机等现象。

(三)来自接地系统混乱时的干扰

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系统无法正常工作。

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交直流地和保护地等。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,引起环路电流,影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一端接地,如果电缆屏蔽层两端A、B都接地,就存在电位差,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]

(四)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,作为使用部门是无法改变,可不必过多考虑,但要选择具高抗干扰能力的PLC产品。

二、PLC控制系统中主要抗干扰措施

根据PLC控制系统中干扰的主要来源,考虑几种综合抗干扰措施,主要内容包括:对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰;对外引线进行隔离、滤波,特别是原边动力电缆,分层布置,以防通过外引线引入电磁干扰;正确设计接地点和接地装置,完善接地系统。另外还必须利用软件手段,进一步提高系统的安全可靠性。

(一)采用性能优良的电源,抑制电网引入的干扰

电源是PLC引入干扰的重要途径之一,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、变压器供电电源和与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的电源,而对于变压器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源,并没引起足够的重视,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,对于变压器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制能力强(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器,以减少外界设备对PLC系统的干扰。

(二)外部信号线的选择和敷设

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。可采用了铜带铠装屏蔽电力电缆,以降低了动力线产生的电磁干扰,可取得了满意的效果。

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敷设,各接线层之间至少隔300 mm,如图1所示。

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敷设,至少离开动力线200mm,以减少电磁干扰,如图2所示。

如果I/O接线和动力线必须设在同一电缆沟内时,则必须用接地钢板将它们相互屏蔽,如图3所示。[2]

(三)正确选择接地点,完善接地系统

完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施,是保证PLC可靠工作的必要条件。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。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,接地线应为专用接地线,其直径应在2 mm以上,接地电阻应小于4Ω,接地点应与其它动力设备的接地点分开,接地极离PLC越近越好,即接地线越短越好。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响,装置之间的信号交换频率一般都低于IMHz,所以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系统适应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板。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板。接地线的截面、接地极的接地电阻要合适。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。如果选用扩展单元,其接地点应与基本单元的接地点接在一起。

(四)硬件滤波及软件抗干扰

当输入端有感性元件时,为了防止感应电势损坏模块,应在输入端并接RC吸收电路(交流输入信号)或并接续流二极管(直流输入信号),如图4所示。在PLC的输出端接有感性负载时,输出信号由OFF变为ON时,会产生突变电流;从ON变为OFF时,会产生反向感应电势。为防止干扰信号的影响,在靠近负载两端,并联RC吸收电路(交流负载)或续流二极管(直流负载),如图5所示。

有时只采用硬件措施不能完全消除干扰的影响,必须用软件措施加以配合,因此在PLC控制系统的软件设计时,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。应用者可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。其它常用的一些措施是: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;采用间接跳转,设置软件陷阱等提高软件结构可靠性,这样,整个系统的可靠性将极高。

三、结语

PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题,在实际应用中,应根据具体的电磁环境,综合考虑各方面的因素,有针对性地采用其中的某些抗干扰措施,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]孙德明.广州市机电工程科技开发交流会[J].广州:广州市机电工程学会,2004.

[2]吴亦锋.可编程序控制器原理与应用速成[M].福建:福建科学技术出版社,2004.

【作者简介】柯华斌(1968- ),男,广东汕头人,广东省汕头市第二技工学校高级技师,一级实习指导指1导教师,研究方向:工业自动化的设计、安装、检修、技术改造及电器技术。