電力系統(tǒng)中的PLC抗電磁干擾技術(shù)研究

崔建軍

（重慶市自來水有限公司，重慶 400074）

0 引 言

隨著PLC系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化，PLC系統(tǒng)已發(fā)展成為工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的關(guān)鍵智能控制系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)能直接運用于現(xiàn)場施工行業(yè)，能進一步提高現(xiàn)場施工效率。但是在現(xiàn)場運用PLC系統(tǒng)時，會受到施工現(xiàn)場產(chǎn)生的電磁場信號和頻率干擾信號的干擾。因此，需開展PLC系統(tǒng)有關(guān)抗電磁干擾設(shè)計的分析，以確保PLC系統(tǒng)的正常使用。

1 電磁干擾的概念

PLC被普遍運用于電力系統(tǒng)，但也受到若干方面的不斷干擾。PLC現(xiàn)場中經(jīng)常出現(xiàn)的問題是實際和模擬之間誤差太大，系統(tǒng)進一步失控，PLC進一步受到電磁干擾。因此，需深入研究PLC的電磁兼容問題[1]。PLC受到的電磁干擾的具體來源是敏感設(shè)備、耦合路徑及干擾源。其中，干擾源涵蓋PLC系統(tǒng)全部受到外部影響的環(huán)境或設(shè)備；耦合路徑是干擾信號進入系統(tǒng)的渠道，涵蓋所有接線和通電電纜等；敏感設(shè)備是PLC系統(tǒng)中的電路板和元器件等。

2 PLC系統(tǒng)電磁干擾源及其影響

工業(yè)控制系統(tǒng)中，對PLC控制系統(tǒng)的干擾信號一般包含兩種形式，即傳導(dǎo)型干擾和輻射型干擾。

2.1 空間電磁輻射

PLC控制系統(tǒng)的相關(guān)工作環(huán)境中，各類電磁輻射裝置和電氣裝置會產(chǎn)生電磁干擾信號。此外，雷電現(xiàn)象也會產(chǎn)生電磁干擾信號。基于強電磁環(huán)境，PLC系統(tǒng)電路中的電感和電容等將由于電磁感應(yīng)而進一步干擾控制系統(tǒng)的工作[2]。PLC控制系統(tǒng)受空間電磁輻射的干擾程度與系統(tǒng)受現(xiàn)場工作環(huán)境的限制程度有關(guān)，如現(xiàn)場電氣設(shè)備的具體使用數(shù)量等。

2.2 PLC外接線干擾

PLC外接線對控制系統(tǒng)的干擾一般是從電源和信號線導(dǎo)入，屬于傳導(dǎo)型干擾模式，可進一步影響工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。第一，電源干擾。因PLC控制系統(tǒng)受現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境與設(shè)備等約束，需借助電網(wǎng)供電，供電進程中，設(shè)備啟停與開關(guān)動作引發(fā)的電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊與諧波變化等容易在電網(wǎng)中產(chǎn)生脈沖信號，從而影響電網(wǎng)的供電品質(zhì)，干擾PLC系統(tǒng)的順利運行。此外，由于供電電網(wǎng)的相關(guān)覆蓋范圍廣，所以會受電磁干擾作用不斷形成高頻諧波信號，特別是在斷開電網(wǎng)的感性元器件時，其形成的瞬間電壓峰值將超過額定電壓值，其脈沖功率將進一步破壞PLC。第二，信號線導(dǎo)入干擾。PLC控制系統(tǒng)中，可經(jīng)過各類信號傳輸線進一步完成通信與控制功能。但是傳輸線在傳輸信號的進程中，總會受到其他外界信號的不斷干擾[3]。這種干擾一般經(jīng)過兩類方式對傳輸數(shù)據(jù)線產(chǎn)生作用：一種是借助于共用信號儀表的相關(guān)供電電源進一步侵入的電網(wǎng)干擾模式；另一種是信號線工作時受電磁信號引發(fā)的感應(yīng)帶來的干擾。由于系統(tǒng)的通信信號是上位機和下位機信息互換的核心內(nèi)容，因此基于干擾環(huán)境將會出現(xiàn)輸出與輸入不正常的現(xiàn)象，并可能會引起誤操作。

2.3 PLC系統(tǒng)自身干擾

PLC控制系統(tǒng)的邏輯控制電路在通電情況下，相互之間會形成電磁輻射信號。這是PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計方面存在的漏洞。但是與外接信號和空間輻射的干擾作用相比，PLC系統(tǒng)自身干擾對系統(tǒng)的干擾作用不強。

3 PLC運用系統(tǒng)的抗電磁干擾策略

由于不能消除電磁信號，所以只能從PLC系統(tǒng)自身或者其外圍附件研究策略，以提升系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

3.1 電源抗干擾的有效設(shè)計

電源是PLC控制系統(tǒng)中最重要的元器件，應(yīng)強化電源的抗電磁干擾能力[4]。選擇供電電源時，應(yīng)選擇供電穩(wěn)定性高的電源，并在交流電源的輸入端子前安裝低通濾波器與隔離變壓器，以過濾諧波信號和高頻干擾信號。此外，電源線應(yīng)選擇雙絞線，以降低外界干擾信號的進一步入侵。為確保電源系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性，可使用在線式的UPS供電系統(tǒng)。UPS系統(tǒng)具有很強的抗電磁干擾能力，供電非常穩(wěn)定。

3.2 接地抗干擾的有效設(shè)計

在PLC控制系統(tǒng)中開展接地設(shè)計，以確保系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的安全性。接地方式一般包含電容式接地、直接接地及浮地等方式。由于PLC控制系統(tǒng)的自身特點，應(yīng)使用直接接地的方式。大部分系統(tǒng)中，一般使用并聯(lián)一點式的接地方式，每個裝置的中心接地點以各自的接地極和接地線連接。此外，選擇接地線應(yīng)以粗線圈為核心，以降低每個電路部件間的地電勢間的差值，減少地環(huán)電流對控制系統(tǒng)的干擾。

3.3 輸出和輸入的抗干擾設(shè)計

第一，輸出與輸入通過負載時，為避免反電動勢進一步破壞模塊，將交流信號輸出與輸入的壓敏電阻與浪涌吸收器并聯(lián)。只要與輸入信號實施并聯(lián)的感性負荷超出限定，就采取繼電器實施中轉(zhuǎn)[5]。第二，PLC在輸出負載中，也會帶來干擾，應(yīng)予以控制。只要在直流輸出口采用電路保護，交流輸出口接阻容吸收電路或者壓敏電阻，雙向晶閘管與晶體管出口就會進一步接旁路電阻保護。開關(guān)量的輸出處與控制器的接觸，應(yīng)采用抗干擾策略實施管制。第三，為避免外界噪音對PLC系統(tǒng)的影響，盡量導(dǎo)入光耦合器開展管理。光電耦合器由輸出口的受光元件和輸入口的發(fā)光元件整合而成，經(jīng)過光傳遞信息，讓輸出與輸入能夠在電氣方面進一步隔離。

3.4 濾波及軟件的抗干擾策略

信號在導(dǎo)入PLC前，針對地間并接電容與信號線，減少共模影響，在信號兩級之間對濾波器進行設(shè)置，以優(yōu)化干擾程度[6]。PLC系統(tǒng)在軟件設(shè)計上所采取的數(shù)字濾波技術(shù)，把模擬量信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號，然后輸入PLC內(nèi)，經(jīng)由數(shù)字濾波程序開展二次處理，過濾噪音信號，獲取所需的有效信號，開展系統(tǒng)控制。

4 電力系統(tǒng)運用中的相關(guān)注意事項

工藝流程的運用要求與特征是設(shè)計選型的核心依據(jù)。了解功能表圖、可編程序控制器以及相關(guān)的編程語言可進一步減少編程時間。因此，工程設(shè)計選型以及估算時，應(yīng)進一步探究工藝過程的控制要求和相關(guān)特征，確定控制范圍和任務(wù)，估算所需存儲器容量和輸入輸出點數(shù)，明確可編程邏輯控制器的特性與功能等，最后選取性價比較高的可編程邏輯控制器[7]。

第一，輸出輸入點數(shù)的估算。估算輸入輸出點數(shù)時，應(yīng)留一定余量，輸入點的含義是開關(guān)量輸入，通常是21 V電壓直流輸入。輸出和輸入信號都是開關(guān)量，即0為關(guān)，1為開。

第二，估算存儲器的容量。存儲器容量是可編程序控制器自身可提供的硬件存儲單位大小，程序容量是存儲器中用戶使用的存儲單位大小。設(shè)計時，程序容量是未知的，應(yīng)在程序調(diào)試后才知道程序容量。為設(shè)計選型時進一步估算程序容量，一般采取存儲器容量的估算來取代。

第三，由于可編程邏輯控制器的相關(guān)電源在整個系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，因此可編程邏輯控制器的制造商非常注重電源的設(shè)計及制造[8]。對于PLC的電磁兼容性問題，需在電源線上安裝濾波器或者隔離變壓器，以有效保證PLC的供電干凈。

5 結(jié) 論

PLC的擴展空間非常大，可開發(fā)出更多的產(chǎn)品。作為通用網(wǎng)絡(luò)和自動化控制網(wǎng)絡(luò)中的核心構(gòu)成部分，PLC可在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。