浅谈PLC控制系统的电磁干扰抗干扰技术.docx

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摘要:本文浅谈电磁干扰类型和影响、PLC控制系统电源的主要干扰来源,以及提高系统抗干扰能力的主要技术措施。
Keys:PLC控制系统;抗干扰;技术
引言:科学技术的快速发展,PLC在工业控制中的应用也越来越广泛,其控制系统的可靠性是影响企业安全生产和经济运行的重要因素了,系统抗干扰能力成为关键。可编程序控制器(PLC)作为一种新型工业控制装置,其具有可靠性高、编程简单、通用性强、安装和维护方便等优点,但在工业现场环境过于恶劣、电磁干扰严重、电缆敷设不合理等地点应用,也会导致整个控制系统的可靠性降低,甚至出现故障。而其中的电磁干扰影响最为严重,供电电源又是电磁干扰信号进入PLC控制系统的主要途径。因此,要解决PLC控制系统的干扰问题,首先就得搞好电源抗干扰,如此才能实现PLC控制系统的安全可靠运行。

电磁干扰类型按噪声产生的原因不同,可分为放电噪声、浪涌噪声和高频振荡噪声等;按噪声的波形、性质不同,又可分为持续噪声、偶发噪声等;按噪声干扰模式不同,又分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差,主要由电网串入、地电位差和空间电磁辐射在信号线上感应的共态电压迭加形成。该干扰叠加在信号上,直接影响了测量和控制精度。该干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位,是影响PLC控制系统的主要干扰源。

1)空间辐射干扰。空间辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等所产生,即辐射干扰。影响路径:直接对PLC内部辐射,由电路感应产生干扰;对PLC通信网络的辐射,由通信线路感应引入干扰。这与现场设备布置、设备所产生的电磁场大小和频率有关。通过设置屏蔽电缆、PLC局部屏蔽和高压泄放元件进行保护即可。PLC系统干扰侵入途径,见如图1所示。其电磁干扰性的因素可用下式表示:N(ω)=G(ω)C(ω)/I(ω),式中:N(ω)为干扰对设备的影响;G(ω)为干扰源的强弱;C(ω)为干扰传输的耦合因数;I(ω)为受干扰设备的抗干扰能力,即敏感度阀值。受干扰程度有三方面,都是频率的函数。显然,抗干扰能力的原理:①切断干扰源,即减小G(ω);②减小藕合,即减小C(ω);③提高受干扰设备的敏感度阀值,即加大I(ω)。在实际中都综合考虑,按此顺序采取抗干扰措施。
2)系统外引线的干扰。PLC控制系统电磁干扰多是由不合理地选择、安装和施工造成。干扰主要来源:①PLC供电电源干扰。正常为电网供电,因电网会受到空间电磁干扰在线路上感应电压,尤其是内部的变化。像开关操作浪涌、大型设备启停、交直流传动引起的谐波和电网短路暂态冲击等,都会通过线路传到PLC电源。即使采用隔离电源,往往隔离性能不理想。②控制信号采集导线干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线中,除有效信息外,还有外部干扰信号侵入。③不同性质的接地和不规范接地干扰。接地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。各接地点的接地电阻不同也将造成各自电位分布不均,这就存在地电位差,将引起地环路电流和信号共模干扰。④PLC相邻设备的干扰。PLC常与各类型变频器配合,再由PLC输出控制变频器运行。变频器工作时处于整流和变频状态,电源易产生谐波和周围产生电磁干扰波,都对PLC产生干扰;PLC常应用到一些大电流磁场环境(如电弧炉、中频炉),也会产生强烈的交变磁场,进而对PLC造成电磁干扰。

1)硬件方面。设计PLC控制系统时,正确选择PLC和接地点,以及接地方式、合理配置供电电源和I/O端的接线等,可有效提高抗干扰能力。①PLC的选择。要选择有较高抗干扰能力、尤其是外部抗干扰能力(包括电磁兼容
性)。按应用环境选择PLC。国家采用220V高内阻电网制式。电网内阻大,零点电位漂移大,地电位变化就大,对系统抗干扰能力就要求更高。②正确选择接地点,并完善接地系统。完善的接地系统对抗电磁干扰很重要。系统接地有三种:浮地、直接接地和电容接地。PLC控制系统属高速低电平控制装置,应采用直接接地。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等影响,装置间的信号交换频率一般都低于1MHz,因此接地线采用一点接地和串联一点接地方式较好。③电源部分的抗干扰。为抑制电网中的干扰,一般选用隔离变压器,~。变压器的屏蔽层应接地,次级线圈连接线要使用双绞线,以减少电源线间干扰。还可在隔离变压器前加滤波器,变压器初级和次级连接线使用双绞线。这可大大减弱干扰信号,增强系统可靠性。控制器和I/O系统分别取各自的电源供电。④I/O端的接线。输入接线要求:不要太长;输入/输出线不能用同一根电缆,要分开;尽可能采用常开触点形式连接到输入端。输出连接要求:输出端接线分为独立输出和公共输出;由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上,并连接至端子板。不能将连接输出元件的负载短路,这会烧毁印制电路板;采用继电器输出时,所承受的电感性负载的大小,会影响到继电器的使用寿命,所以应合理选择;PLC的输出负载可能产生干扰,要采取必要措施加以控制。
2)软件方面。利用软件程序可以屏蔽输入元件的失误信号,防止输出元件的误动作,提高系统抗干扰能力。①延时控制。控制器的外部开关量和模拟量输入信号,因噪声、干扰、开关的误动作、模拟信号误差等因素影响,会形成输入信号错误,引起程序判断失误,造成事故。按钮、开关作为输入信号时,可采用定时器延时去掉抖动。时间根据触点抖动情况和系统要求的响应速
度定,以保证触点确实稳定闭合才执行。②软件滤波。对于模拟信号,可采用多种软件滤波方法提高数据的可靠性。连续采样多次的,采样间隔可根据MD转换时间和信号的频率定。采样数据先后存放在不同的数据寄存器中,经比较后取中间值或平均值可作为当前的输入值。常用滤波方法:程序判断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、去极值平均滤波、算术平均值滤波和防脉冲干扰平均值滤波。③封锁控制。有干扰可预知,如可编程序控制器的输出命令驱动大功率器件动作,常会伴随产生火花、电弧等干扰信号,可能使可编程序控制器接收错误的信息。对此,可用软件封锁可编程序控制器的某些输入信号,适当延时,待干扰消除后再取消封锁。
结论:PLC控制系统中干扰非常复杂,在抗干扰设计时应综合考虑各方面因素,以合理有效地抑制抗干扰。解决电源抗干扰问题应从PLC控制系统的设计阶段开始,要贯穿于整个控制系统的设计、安装和调试全过程。
Reference:
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[2][J].包钢科技,2011,1:52-54,60.
[3]艾莉,[J].机械工程与自动化,2009,4:167-168,170.
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