李彦斌

摘 要:在工业环境中,PLC抗干扰设计在PLC控制系统设计中占有十分重要的地位,对干扰源进行了详尽的分析、论述,从硬件和软件两方面阐述了PLC控制系统的抗干扰设计方法。

关键词:PLC;干扰源;抗干扰设计

中图分类号:TB47文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)16-0321-02

1 PLC控制系统中电磁干扰的主要来源

1.1 来自电源的干扰

工业现场种类繁多的动力设备的启停运转,可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰,这些干扰均会通过耦合到PLC系统的电路,给系统造成极大的危害。同样,这些干扰源也能以电磁场方式作用到PLC系统上而造成干扰。例如:某厂在氮化炉控制系统最初采用调压方式进行炉温控制,常常造成近百伏的瞬时过压或欠压形成涌流,严重影响系统正常运行。

1.2 信号通道干扰

信号通道干扰:一是通过变送器供电电源或共用仪表的供电电源窜入的电网干扰;二是信号线受空间电磁辐射的干扰。由信号线引入的干扰会引起1/0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。

1.3 来自接地系统混乱时的干扰

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。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控制系统无法正常工作。

接地系统混乱使各个接地点电位分布不均,引起地环路电流,影响系统正常工作。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,形成干扰信号回路。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。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。

1.4 来自空间的辐射干干扰

在工业环境中,空间电磁波污染十分严重。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路,造成对系统的干扰——辐射干扰,其分布极为复杂。在此情况下,干扰主要通过两条路径:一是直接对PLC内部的辐射产生干扰;二是对PLC通信与接口网络的辐射引入干扰。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、PLC局部屏蔽、建立高压泄放回路进行保护。

2 PLC控制系统的抗干扰设计与施工

2.1 设备选型

首先应选择有较高抗干扰能力的产品,如:采用浮地技术、隔离性能好的PLC;其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标,按我国的标准(GB/T13926)合理选择。 再次在设备选型时,应注意PLC的输入、输出方式。在设计时,应尽量选用可靠性高的元器件。例如:选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。对于直流与交流信号分别使用各自的电缆;对于系统的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆,屏蔽电缆在输入、输出侧悬空,而在控制侧接地。

2.2 综合抗干扰设计

2.2.1 电源抗干扰措施

在PLC控制系统中,电网引入的干扰主要通过PLC系统的供电电源、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。因此,对于PLC系统供电的电源,可以采用隔离性能较好电源,例如:UPS。

2.2.2 通道抗干扰措施

(1)通道隔离技术。

对于系统通道来说,由于测控点离控制中心很远,对每个测控量的输入,输出通道两端,无论是模拟量还是数字量,接地点不可能等电压,这样,就会在通道中形成地环路电流。另外,别的干扰也会通过通道窜入系统。因此,采用隔离技术能很好地抑制这种干扰。对数字量来说,可以采用光电耦合器、继电器等器件隔离,并辅以施密特、RC等滤波、整形电路;对模拟量来说,则可以采用线性光耦、隔离变压器、隔离放大器、差动放大电路等方法予以解决。

在I/O通道有感性负载时,为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响,对于交流负载,应在线圈两端并联RC吸收电路。对于直流输入信号,可并接续流二极管。

(2)接地技术。

在PLC控制系统中,接地是抑制干扰的主要方法。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。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1MHz,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。接地极的接地电阻小于5Ω,接地极最好埋在距建筑物10 - 15m远处,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;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;多芯电缆连接时,各屏蔽层也应相互连接好,并经绝缘处理,为此可以采用航空插头进行连接。

(3)屏蔽技术。

屏蔽技术是破坏“场”干扰途径的重要方法,笔者在上述工程的现场参数检测中,就深刻体会到:正确的屏蔽技术与接地技术结合,可以取得良好的抗干扰效果。

导线间的相互干扰,主要是通过三种耦合产生的:其一是电容性耦合,即两回路的电场相互作用的结果;其二是电感性耦合,即两个回路的磁场相互作用的结果:其三是电场和磁场组合而成的,又称电磁耦合或辐射。对于导线间的电磁干扰,可采用两种主要方法抑制:一是抑制干扰源、二是屏蔽干扰源。抑制干扰源是将干扰源远离易受干扰的信号线,即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,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,将强、弱信号线远离,以减少电磁干扰。

2.2.3 空间的抗干扰措施

空间的干扰主要来自空间的多种电磁波,这些电磁波以电磁感应的方式通过系统的导线、壳体等形成接受电路,造成对电路的干扰。抗干扰的措施主要有:

其一,屏蔽:在干扰源的周围加上屏蔽层,并将屏蔽层一点接地;

其二,是使用双绞线、同轴电缆、光缆和屏蔽电缆等缆线防止耦合干扰;

其三,浮地。信号地与机壳、大地浮空,使电路与机壳或大地之间无直流联系。这就加大了信号地与外界的阻抗,阻断了干扰电流的通路;

其四,可在信号通道中设置滤波器,以滤除干扰。

2.3 采用软件抗抗干扰措施

硬件的抗干扰措施可以大大提高系统的测控精度和工作可靠性,而系统的抗干扰又不能完全依靠硬件解决。因此在PLC控制系统的软件设计和组态时,还应从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;采用指令、数据冗余技术;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。

3 结语

PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题,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,取得了满意的效果。

参考文献

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[3]@工培清,李迪译.电子系统中噪声的抑制与衰减技术[M].北京;电子工业出版社,2003.