1 PLC控制系統中電磁干擾的主要來源
1.1 來自電源的干擾
工業現場種類繁多的動力設備的啟停運轉,可能引起電源過壓、欠壓、浪涌、下陷及產生尖峰干擾,這些干擾均會通過耦合到PLC 系統的電路,給系統造成極大的危害。同樣,這些干擾源也能以電磁場方式作用到PLC系統上而造成干擾。例如:某廠在氮化爐控制系統最初采用調壓方式進行爐溫控制,常常造成近百伏的瞬時過壓或欠壓形成涌流,嚴重影響系統正常運行。
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,嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統,還將導致信號間互相干擾,引起共地系統總線回流,造成邏輯數據變化、誤動作和死機。
1.3 來自接地系統混亂時的干擾
PLC控制系統的地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等。正確的接地,既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制設備向外發出干擾;而錯誤的接地,反而會引入嚴重的干擾信號,使PLC控制系統無法正常工作。
接地系統混亂使各個接地點電位分布不均,引起地環路電流,影響系統正常工作。此外,屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環路,在變化磁場的作用下,屏蔽層內有會出現感應電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,形成干擾信號回路。若系統地與其它接地處理混亂,所產生的地環流就可能在地線上產生不等電位分布。邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數據存貯,造成數據混亂或死機。
1.4 來自空間的輻射干干擾
在工業環境中,空間電磁波污染十分嚴重。空間輻射干擾以電磁感應的方式通過檢測系統的殼體、導線等形成接收電路,造成對系統的干擾——輻射干擾,其分布極為復雜。在此情況下,干擾主要通過兩條路徑:一是直接對PLC內部的輻射產生干擾;二是對PLC通信與接口網絡的輻射引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小,特別是頻率有關,一般通過設置屏蔽電纜、PLC局部屏蔽、建立高壓泄放回路進行保護。
2 PLC控制系統的抗干擾設計與施工
2.1 設備選型
首先應選擇有較高抗干擾能力的產品, 如:采用浮地技術、隔離性能好的PLC;其次還應了解生產廠給出的抗干擾指標,按我國的標準(GB/T13926)合理選擇。 再次在設備選型時,應注意PLC的輸入、輸出方式。在設計時,應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代替機械限位開關。對于直流與交流信號分別使用各自的電纜;對于系統的輸入、輸出信號線、必須使用屏蔽電纜,屏蔽電纜在輸入、輸出側懸空,而在控制側接地。
2.2 綜合抗干擾設計
2.2.1 電源抗干擾措施
在PLC控制系統中,電網引入的干擾主要通過PLC系統的供電電源、變送器供電電源和與PLC系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的。因此,對于PLC系統供電的電源,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。
對于系統通道來說,由于測控點離控制中心很遠,對每個測控量的輸入,輸出通道兩端,無論是模擬量還是數字量,接地點不可能等電壓,這樣,就會在通道中形成地環路電流。另外,別的干擾也會通過通道竄入系統。因此,采用隔離技術能很好地抑制這種干擾。對數字量來說,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通道有感性負載時,為了防止電路信號突變而產生感應電勢的影響,對于交流負載,應在線圈兩端并聯RC吸收電路。對于直流輸入信號,可并接續流二極管。
(2)接地技術。
在PLC控制系統中,接地是抑制干擾的主要方法。系統接地方式有:浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統而言,它屬高速低電平控制裝置,應采用直接接地方式。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控制系統接地線采用一點接地和串聯一點接地方式。接地極的接地電阻小于5Ω,接地極最好埋在距建筑物10 - 15m遠處,而且PLC系統接地點必須與強電設備接地點相距10M以上。
信號源接地時,屏蔽層應在信號側接地;信號線中間有接頭時, 屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理,一定要避免多點接地;多芯電纜連接時,各屏蔽層也應相互連接好,并經絕緣處理,為此可以采用航空插頭進行連接。
(3)屏蔽技術。
屏蔽技術是破壞“場”干擾途徑的重要方法,筆者在上述工程的現場參數檢測中,就深刻體會到:正確的屏蔽技術與接地技術結合,可以取得良好的抗干擾效果。
導線間的相互干擾,主要是通過三種耦合產生的:其一是電容性耦合,即兩回路的電場相互作用的結果;其二是電感性耦合,即兩個回路的磁場相互作用的結果: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離易受干擾的信號線,即嚴禁用同一電纜的不同導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,不同類型的信號分別由不同電纜傳輸,信號電纜應按傳輸信號種類分層敖設,將強、弱信號線遠離,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的方式通過系統的導線、殼體等形成接受電路,造成對電路的干擾。抗干擾的措施主要有:
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。信號地與機殼、大地浮空,使電路與機殼或大地之間無直流聯系。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的測控精度和工作可靠性,而系統的抗干擾又不能完全依靠硬件解決。因此在PLC控制系統的軟件設計和組態時,還應從軟件方面進行抗干擾處理,進一步提高系統的可靠性。常用的一些措施:數字濾波和工頻整形采樣,可有效消除周期性干擾;定時校正參考點電位,并采用動態零點,可有效防止電位漂移;采用指令、數據冗余技術;設計相應的軟件標志位,采用間接跳轉,設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。
3 結語
PLC控制系統中的干擾是一個十分復雜的問題,在抗干擾設計中應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控制系統正常工作,取得了滿意的效果。