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如何解决PLC系统的干扰问题

2017-06-14 浏览次数: 来源:

摘要:分析了可编程控制器系统中各种常见的干扰因素及特点,对PLC抗干扰技术进行了详细论述,并总结了提高系统可靠性的技术路线及抑制和消除干扰的常用方法。
 关键词:PLC 控制系统 抗干扰
 前言
 可编程控制器是以微处理器为基础的通用工业控制装置,可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称为PLC,他的应用面广、功能强大、使用方便,已经成为当代工业自动化的主要支柱之一,在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。就PLC本身来说,在设计和制造过程中厂家已采取了多层次的抗干扰措施,具有一定的稳定性和可靠性,但由于PLC的应用场合越来越广,应用环境越来越复杂,所受的干扰也就越来越多。使系统不能正常工作。因此,研究PLC控制系统抗干扰信号的来源、成因及其抑制措施,对于提高PLC控制系统的抗干扰能力及可靠性具有重要的意义。
1、PLC系统中干扰的主要来源
1)辐射干扰 辐射电磁场主要是由电力电网、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视和雷达等产生的,通常称为辐射干扰,。若此时PLC置于其辐射场内,其信号、数据线和电源线即可充当天线接受辐射干扰。此种干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场的大小,特别是与频率有关。
2)来自系统外部电源、信号线等的干扰
  a)来自电源的干扰:PLC的正常供电电源均由电网供电,因而会直接影响到PLC的正常工作。由于电网覆盖范围广,它将受到所有空间的电磁干扰而产生持续的高频谐波干扰。特别在断开电网中的感性负载时产生的瞬时电压峰值是额定值的几十倍,其脉冲功率足以损坏PLC半导体器件,并且含有大量的谐波可以通过半导体线路中的分布电容、绝缘电阻等侵入逻辑电路,引起误动作,再者在现代工业中,开关操作浪涌、大型电力设备的起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等均能在电网中形成脉冲干扰。
b)来自信号线的干扰:PLC控制设备的运行,总会有很多信号线的参与,然而在信号传输的过程中,除了传输有效的数据外,总会有干扰信号的侵入,此时就形成了干扰。此干扰主要有两种途径:一是变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源于扰,这往往被忽略;二是信号线上的外部感应干扰,其中静电放电、脉冲电场及切换电压为主要干扰来源。由信号线引入的干扰会引起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。若系统隔离性能较差,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、误动作甚至死机。
c)来自不规范接地的干扰:PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。而不规范的接地就有可能对各个接地点造成不同的地电位差,引起地环路电流以及信号工模干扰,影响系统正常工作。
d)来自相邻变频器的干扰:在PLC的实际应用中,经常与各类型号的变频器配合使用,由PLC的输出控制变频器的运行。变频器起动机运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰,引起电网电压畸变,影响电网的供电质量;变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰,影响系统正常工作。
2、抗干扰的措施
 抗干扰的措施,主要分为两种,一是硬件方面;二是从软件方面。下面逐一对这两个方面进行分析:
1)从硬件方面来说在设计PLC控制系统时,通过在正确选择PLC、合理配置供电电源、正确选择接地点、接地方式和输入输出配线等措施,可有效提高系统的抗干扰能力。
a)PLC的选择:选用PLC时,要选择有较高抗干扰能力、尤其是外部抗干扰能力以及包括电磁兼容性(EMC)好的产品,如采用浮地技术、隔离性能好的PLC品牌。同时要根据应用的具体环境(电磁环境)合理选择PLC,由于我国采用的是220V高内阻电网制式,而欧美地区是110V低内阻电网,我国电网内阻大,零点电位漂移大,地电位变化也就大,工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上,因而对系统抗干扰能力也就更高,在国外能正常工作的PLC产品在国内就不一定能可靠运行,因此在采用国外PLC产品时应按我国的标准(GB/T13926)合理选择。
b)电源的选择和抗干扰方法:首先电源的选择上要选择抗干扰能力强的电源,它可以抑制电网引入的干扰(来自PLC供电电源的干扰)。电网引入的干扰在各种干扰中占有较高的比例。电网干扰窜人PLC控制系统主要通过PLC系统中应用到一些电源,如CPU电源、1/O变送器电源等,由于PLC本身抗干扰的能力很强,通常只要将PLC电源与系统动力设备分开配线,对于从电源来的干扰,具有足够强的抑制能力。但是,如果遇到特殊情况,电源干扰特别严重可以采取以下措施:(1)使用隔离变压器衰减从电源进线的高频干扰信号,输入、输出线应用双绞线以抑制共模干扰。其屏蔽层接地方式不同,对干扰抑制的效果也不一样,一般做法是将初、次级屏蔽层均接地。(2)用低通滤波器抑制高次谐波。低通滤波器的内部电容上电感组合方式不同,其高次谐波的抑 制效果也有一定区别。另外其电源输入、输出线应分隔开,屏蔽层应可靠接地。一般是在电源系统中既使用滤波器又使用隔离变压器,但要注意先将滤波器接入电源再接隔离变压器。
c)采用正确的接地方式:接地的目的无非是为了安全和防止干扰,给PLC接地的目的主要是抑制附加在电源及输入、输出端的干扰,所以说正确的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。接地方式有浮地方式和直接接地方式,对于PLC控制系统应采用直接接地方式,具体的接地方法采用如下:1)PLC控制系统接地线应采用一点接地和串联一点接地方式,集中布置的PLC系统适用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极。如果装置间距较大,应采用串联一点接地方式(即搭接),用一根大截面的铜母线(或绝缘电缆)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极。接地线采用截面>22mm2的铜导线,总母线使用截面>60mm2的铜排。接地极的接地电阻<2Ω,接地极最好埋在距建筑物10-15m远处,而且PLC系统接地地点必需与强电设备接地点相距l0m以上;2)屏蔽线屏蔽层的接地:信号源接地时,屏蔽层应在信号侧接地;信号源不接地时,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;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时,各屏蔽层应相互连接好,并经绝缘处理,选择适当的接地处单点接地。
d)输入输出部分的配线:PLC电源线、I/O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线,且后者应采用屏蔽线,并且将屏蔽层接地。数字传输线也要用屏蔽线,并且要将屏蔽层接地。由于双绞线中电流方向相反,大小相等,可将感应电流引起的噪声互相抵消,故信号线多采用双绞线或屏蔽线。
2)从软件设计方面提高系统抗干扰能力 PLC内部具有丰富的软元件,如定时器、计数器、辅助继电器等,利用它们设计一些程序,可以屏蔽输入元件的误信号,防止输出元件的误动作,提高系统的抗干扰能力。
a)延时控制:控制器的外部开关量和模拟量输入信号,由于噪声、干扰、开关的误动作、模拟信号误差等因素的影响,不可避免会形成输入信号的错误,引起程序判断失误,造成事故。当按钮、开关作为输入信号时,则不可避免产生抖动。输入信号是继电器触点,有时会产生瞬间跳动,将会引起系统误动作。在这种情况下,可采用定时器延时来去掉抖动,定时时间根据触点抖动情况和系统要求的响应速度而定,这样可保证触点确实稳定闭合(或断开后)才执行。
b)封锁控制:某些干扰是可以预知的,例如可编程序控制器的输出命令驱动大功率器件动作,常常会伴随产生火花、电弧等干扰信号,它们产生的干扰信号可能使可编程序控制器接收错误的信息。在容易产生这些干扰的时间内,可用软件封锁可编程序控制器的某些输入信号,适当延时,在干扰消除后,再取消封锁。
c)软件滤波:对于模拟信号,可采用多种软件滤波方法来提高数据的可靠性。连续采样多次,采样间隔根据A/D转换时间和信号的频率而定。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作为当前输入值。常用的滤波方法有:(1)程序判断滤波;(2)中值滤波;(3)滑动平均值滤波;(4)去极值平均滤波;(5)算术平均值滤波;(6)防脉冲干扰平均值滤波。
3结语
PLC控制系统中的干扰因素非常复杂,因此应综合考虑各方面的因素,合理有效地抑制干扰源,对有些干扰情况还需做具体分析,对症下药,这样才能保证PLC控制系统的正常运行
 参考文献:
1、董秀洁,苗凤君.提高PLC控制系统可靠性的措施[J].郑州纺织工学院学报,1998,(3):81-82.
 2、吴小洪,等.PLC 软元件在电气系统可靠性设计中的应用[J].电工技术杂志,1999(2):24-26.
 3、周万珍,高鸿斌.PLC分析与设计应用[M].北京:电子工业出版社,2004

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