浅谈PLC控制系统抗干扰能力

摘要:随着工业设备自动化控制技术的发展,可编程控制器(PLC)在工业设备控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。

关键词:可编程控制器;PLC控制系统;抗干扰;接地系统

中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0031-02

PLC作为一种自动化程度高、配置灵活的工业生产过程控制装置,由于它具有可靠性高,允许在较恶劣的环境下工作等特点,在自动控制领域中得到了广泛应用。在PLC控制系统中,虽然其I/O端口输入、输出信号与总线信号之间均有隔离,但由于PLC的应用场合越来越广,受到的干扰也就越来越多。例如:来自电源波形的畸变,现场设备所产生的电磁干扰及接地电阻的耦合等各种形式的干扰,都可能使系统不能正常工作。所以要提高PLC控制系统的可靠性,就要从多方面提高系统的抗干扰能力。

干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质来划分。按噪声干扰模式不同,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、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压,全要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的,后者叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。

本文主要是从干扰的来源及应对措施进行探讨,为PLC电子控制的知识点的教学工作作为参考。

一、PLC控制系统干扰的主要来源

(一)空间的辐射干扰

空间的辐射电磁场(EMI),主要由电力网络、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产生,通常称为辐射干扰,其分布极为复杂。其影响主要通过两条路径:一是直接对PLC内部的辐射,由电路感应产生干扰;二是对PLC通信网络的辐射,由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关。

(二)电源的干扰

因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多,更换隔离性能好的PLC电源,才能解决问题。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广,它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流。尤其是电网内部的变化,如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线传到电源原边。

(三)信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信息外,总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽视;二是信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/0信号工作异常,大大降低测量精度,严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统,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、误动和死机。

(四)接地系统混乱的干扰

PLC控制系统正确的接地,是为了抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地,反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统无法正常工作。屏蔽层、接地线和大地也有可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内会出现感应电流,通过屏蔽层和芯线之间的福合干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱,所产生的地环流就可能在地线上产生电位分布,影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。

(五)PLC系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生,如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响,模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。

二、PLC控制系统抗干扰的方法和措施

在设计PLC控制系统时,从硬件设计入手,通过合理配置供电电源、正确选择接地点、接地方式及输入输出配线等措施,有效提高系统的抗干扰能力。

(一)采用性能优良的电源,抑制电网引入的干扰供电

由于PLC自身具有很强的抗干扰能力,通常只要将PLC电源与系统动力设备分开配线,就可以有效地抑制来自电源的干扰。但如果遇到电源干扰特别严重的情况,则可采用带屏蔽层的隔离变压器供电,甚至加接线路滤波器,以抑制从交直流电源侵入的常模和共模瞬变干扰。另外,在有较强干扰源的环境中使用PLC,或对PLC工作可靠性要求特别高时,可将屏蔽层和PLC浮动的端子接地,如图所示:

(二)正确选择接地点,完善接地系统

在PLC控制系统中,具有多种形式的“接地”,主要有:(1)信号地。输入端信号元件的地;(2)交流地。交流供电电源的N线;(3)屏蔽地。为防止静电和磁场感应而设置的外壳或金属丝网,通过专门的铜导线将其接入地下;(4)保护地。将机器设备的外壳或设备内独立器件的外壳接地,用于保护人身安全和防止设备漏电。

为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰,应对PLC系统进行良好的接地。一般情况下,接地方式与信号频率有关,当频率低于1MHz时,可用一点接地;高于10MHz时,采用多点接地;在1～10MH之间时,通常情况下,PLC控制系统采用一点接地,接地线截面积不能小于2mm2,接地电阻不能大于100Ω,接地线最好是专用地线。若达不到这种要求时,可采用公共接地方式,但严禁采用与其他设备串联接地的方式。

(三)正确选择电缆的和实施敷设(输入输出配线)

1.PLC电源线、I/O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线及直流线均应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线,而后者应采用屏蔽线,并且将屏蔽层接地。数字传输线也要用屏蔽线,且要将屏蔽层接地。而信号线多采用双绞线或屏蔽线。

2.输入、输出信号的防错。当输入信号源为晶体管,或是光电开关输出类型时,在关断时仍有较大的漏电流,PLC的输入继电器灵敏度较高,当漏电流的干扰超过一定值,就形成了错误信号。同样,当输出元件为双向晶闸管或晶体管,且外部负载又很小时,会因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流,而引起微小电流负载误动,导致输入与输出信号的错误,给设备和工作人员产生不良影响。为解决这种干扰在输入、输出端并联旁路电阻(如图1所示),以减小PLC输入电流和外部负载上的电流。

图1 输入和输出端并联旁路电阻

其中,旁路电阻按下式求出:

Il表示输入信号源或输出晶闸管最大漏电流;Um表示输入信号电压或外部负载电压最大值;IN表示输入点或外部负载的额定电流。

另一种方法是在PLC输入端加RC滤波环节,利用RC的延迟作用来抑制窜入脉冲所引起的干扰,减小漏电流的干扰。

三、结语

PLC控制系统的干扰是一个十分复杂的问题,因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素,合理有效地抑制干扰,对有些干扰情况还需做具体分析,采取对症下药的方法,才能够使PLC控制系统正常工作,保证工业设备安全高效运行。

参考文献

[1]王卫兵,等.可编程序控制器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,1997.

[2]郭宗仁.可编程控制器及其通信网络技术[M].北京:人民邮电出版社.

[3]李乃夫.可编程控制器原理及应用[M].北京:中国轻工业出版社.

作者简介:崔守娟(1980-),女,江苏连云港人,镇江机电高等职业技术学校助教,研究方向:电气控制;栾荣华(1981-),男,江苏盐城人,镇江赛尔尼柯电器有限公司助理工程师,研究方向:船舶配电系统设计。