窯爐系統(tǒng)ＰＬＣ抗干擾工業(yè)設(shè)計(jì)分析

李彥斌

摘 要:在工業(yè)環(huán)境中,PLC抗干擾設(shè)計(jì)在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有十分重要的地位,對(duì)干擾源進(jìn)行了詳盡的分析、論述,從硬件和軟件兩方面闡述了PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞:PLC;干擾源;抗干擾設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TB47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3198(2009)16-0321-02

1 PLC控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源

1.1 來自電源的干擾

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)種類繁多的動(dòng)力設(shè)備的啟停運(yùn)轉(zhuǎn),可能引起電源過壓、欠壓、浪涌、下陷及產(chǎn)生尖峰干擾,這些干擾均會(huì)通過耦合到PLC系統(tǒng)的電路,給系統(tǒng)造成極大的危害。同樣,這些干擾源也能以電磁場(chǎng)方式作用到PLC系統(tǒng)上而造成干擾。例如:某廠在氮化爐控制系統(tǒng)最初采用調(diào)壓方式進(jìn)行爐溫控制,常常造成近百伏的瞬時(shí)過壓或欠壓形成涌流,嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2 信號(hào)通道干擾

信號(hào)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(wǎng)干擾;二是信號(hào)線受空間電磁輻射的干擾。由信號(hào)線引入的干擾會(huì)引起1/0信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低,嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng),還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾,引起共地系統(tǒng)總線回流,造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)作和死機(jī)。

1.3 來自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾

PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。正確的接地,既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾;而錯(cuò)誤的接地,反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào),使PLC控制系統(tǒng)無法正常工作。

接地系統(tǒng)混亂使各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均,引起地環(huán)路電流,影響系統(tǒng)正常工作。此外,屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路,在變化磁場(chǎng)的作用下,屏蔽層內(nèi)有會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,形成干擾信號(hào)回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂,所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)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(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯,造成數(shù)據(jù)混亂或死機(jī)。

1.4 來自空間的輻射干干擾

在工業(yè)環(huán)境中,空間電磁波污染十分嚴(yán)重。空間輻射干擾以電磁感應(yīng)的方式通過檢測(cè)系統(tǒng)的殼體、導(dǎo)線等形成接收電路,造成對(duì)系統(tǒng)的干擾——輻射干擾,其分布極為復(fù)雜。在此情況下,干擾主要通過兩條路徑:一是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射產(chǎn)生干擾;二是對(duì)PLC通信與接口網(wǎng)絡(luò)的輻射引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小,特別是頻率有關(guān),一般通過設(shè)置屏蔽電纜、PLC局部屏蔽、建立高壓泄放回路進(jìn)行保護(hù)。

2 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)與施工

2.1 設(shè)備選型

首先應(yīng)選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品,如:采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC;其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo),按我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13926)合理選擇。 再次在設(shè)備選型時(shí),應(yīng)注意PLC的輸入、輸出方式。在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)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(guān)代替機(jī)械限位開關(guān)。對(duì)于直流與交流信號(hào)分別使用各自的電纜;對(duì)于系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)線、必須使用屏蔽電纜,屏蔽電纜在輸入、輸出側(cè)懸空,而在控制側(cè)接地。

2.2 綜合抗干擾設(shè)計(jì)

2.2.1 電源抗干擾措施

在PLC控制系統(tǒng)中,電網(wǎng)引入的干擾主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的。因此,對(duì)于PLC系統(tǒng)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(shù)。

對(duì)于系統(tǒng)通道來說,由于測(cè)控點(diǎn)離控制中心很遠(yuǎn),對(duì)每個(gè)測(cè)控量的輸入,輸出通道兩端,無論是模擬量還是數(shù)字量,接地點(diǎn)不可能等電壓,這樣,就會(huì)在通道中形成地環(huán)路電流。另外,別的干擾也會(huì)通過通道竄入系統(tǒng)。因此,采用隔離技術(shù)能很好地抑制這種干擾。對(duì)數(shù)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(duì)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(dòng)放大電路等方法予以解決。

在I/O通道有感性負(fù)載時(shí),為了防止電路信號(hào)突變而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的影響,對(duì)于交流負(fù)載,應(yīng)在線圈兩端并聯(lián)RC吸收電路。對(duì)于直流輸入信號(hào),可并接續(xù)流二極管。

(2)接地技術(shù)。

在PLC控制系統(tǒng)中,接地是抑制干擾的主要方法。系統(tǒng)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(duì)PLC控制系統(tǒng)而言,它屬高速低電平控制裝置,應(yīng)采用直接接地方式。由于信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響,裝置之間的信號(hào)交換頻率一般都低于1MHz,所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)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(yuǎn)處,而且PLC系統(tǒng)接地點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10M以上。

信號(hào)源接地時(shí),屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地;信號(hào)線中間有接頭時(shí), 屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理,一定要避免多點(diǎn)接地;多芯電纜連接時(shí),各屏蔽層也應(yīng)相互連接好,并經(jīng)絕緣處理,為此可以采用航空插頭進(jìn)行連接。

(3)屏蔽技術(shù)。

屏蔽技術(shù)是破壞“場(chǎng)”干擾途徑的重要方法,筆者在上述工程的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)檢測(cè)中,就深刻體會(huì)到:正確的屏蔽技術(shù)與接地技術(shù)結(jié)合,可以取得良好的抗干擾效果。

導(dǎo)線間的相互干擾,主要是通過三種耦合產(chǎn)生的:其一是電容性耦合,即兩回路的電場(chǎng)相互作用的結(jié)果;其二是電感性耦合,即兩個(gè)回路的磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果:其三是電場(chǎng)和磁場(chǎng)組合而成的,又稱電磁耦合或輻射。對(duì)于導(dǎo)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(yuǎn)離易受干擾的信號(hào)線,即嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào),避免信號(hào)線與動(dòng)力電纜靠近平行敖設(shè),不同類型的信號(hào)分別由不同電纜傳輸,信號(hào)電纜應(yīng)按傳輸信號(hào)種類分層敖設(shè),將強(qiáng)、弱信號(hào)線遠(yuǎn)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(yīng)的方式通過系統(tǒng)的導(dǎo)線、殼體等形成接受電路,造成對(duì)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(diǎn)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(hào)地與機(jī)殼、大地浮空,使電路與機(jī)殼或大地之間無直流聯(lián)系。這就加大了信號(hào)地與外界的阻抗,阻斷了干擾電流的通路;

其四,可在信號(hào)通道中設(shè)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(tǒng)的測(cè)控精度和工作可靠性,而系統(tǒng)的抗干擾又不能完全依靠硬件解決。因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí),還應(yīng)從軟件方面進(jìn)行抗干擾處理,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。常用的一些措施:數(shù)字濾波和工頻整形采樣,可有效消除周期性干擾;定時(shí)校正參考點(diǎn)電位,并采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn),可有效防止電位漂移;采用指令、數(shù)據(jù)冗余技術(shù);設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件標(biāo)志位,采用間接跳轉(zhuǎn),設(shè)置軟件陷阱等提高軟件結(jié)構(gòu)可靠性。

3 結(jié)語

PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問題,在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制干擾,對(duì)有些干擾情況還需做具體分析,采取對(duì)癥下藥的方法,才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作,取得了滿意的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]@周萬珍,高鴻斌.PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2]@徐科軍.自動(dòng)檢測(cè)和儀表的共性技術(shù)[M].北京:清華人學(xué)出版社,2000.

[3]@工培清,李迪譯.電子系統(tǒng)中噪聲的抑制與衰減技術(shù)[M].北京;電子工業(yè)出版社,2003.