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PLC可编程控制器实训装置的电磁兼容性

随着工业设备自动化控制技术的发展,PLC可编实训设备在工业设备控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的电磁兼容性直接影响到企业的生产安全和经济运行,尤其在工业设备比较密集、电磁环境比较恶劣的场合,其电磁兼容性显得更加突出。

1 电磁干扰的主要来源

1.1来自PLC系统内部的干扰
电磁干扰主要由系统内部电子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,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,PCB线路、电子元器件的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其它装置、系统或本系统内其它子系统的正常工作。
1。2来自系统外部引线的干扰
1.2.1来自信号线引入的干扰
无论PLC是用于顺序控制、过程控制、运动控制、信息控制,还是用于远程控制,都必须由信号线把生产现场或控制室的开关量、模拟量等控制信息与PLC的I/O单元、功能单元(特殊单元)或通信接口相联系。由于工业现场的电磁环境往往比较恶劣,因此与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之外,还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,这种情况容易被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这种情况往往非常严重。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,严重时将导致元器件损坏;对于隔离性能差的系统,还将导致信号间相互干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模块损坏现象时有发生,由此引起系统故障的情况也很多。
1.2.2来自电源的干扰
PLC系统的工作电源均由公用电力网(市电)提供。由于电力网的覆盖范围甚广,网内连接着无数的电气和电子设备,因此电力网必将受到所有空间电磁干扰而在电力线路上感应出干扰电量,尤其是电网内部的变化、开关操作浪涌、大功率电力设备的启停、电力电子设备等非线性电力负荷产生的谐波、电网短路暂态脉冲等,都通过输电线路传到PLC的电源电路,以至于影响到PLC的工作性能。
1.2.3接地不当引起的干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地既能抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;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。    
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在地电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。例如信号电缆屏蔽层必须一点接地,如果电缆屏蔽层两端分别接地时,就存在地电位差,有电流流过屏蔽层。当发生异常状态如雷击时,地线电流将更大。
此外,屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内会出现感应电流,通过屏蔽层与芯线之间的耦合,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不等电位分布,影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC正常工作的逻辑电压干扰容限较低,逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降,引起对信号测控的严重失真和误动作。
1。3来自空间的辐射干扰
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、变频设备、高频感应加热或电火花加工等设备产生的,通常称为辐射干扰,其分布极为复杂。若PLC系统置于上述电磁环境中,就会受到辐射干扰。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,由通信线路感应引入干扰。
2 抗干扰技术策略
2。1抗干扰设计方法
为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰,必须从设计阶段就开始采取三方面的抑制措施:抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力。PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程,要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品,且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑,并结合具体情况进行综合设计,才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。
2.1.1 PLC的选型要求
PLC机型选择的基本原则是:在功能满足要求的前提下,选择最可靠、维护使用最方便及性能价格比最优的机型。基于电磁兼容性考虑,应选择具有高抗干扰能力的产品,尤其是抵御外部干扰的能力,如采用浮地技术和隔离性能好的PLC系统。此外,应当掌握产品技术参数中的抗干扰指标,如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等。有可能的话,最好能够考察所选产品在类似工作场所中的实际运行状况。
2.1.2综合抗干扰设计
综合抗干扰设计主要考虑来自系统外部的抑制措施:对PLC系统及外部引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰;对于机外引线进行隔离、滤波处理,特别是外部引线与其它动力电缆应分层布置,以防通过外引线引入传导性电磁干扰;正确设计接地点和接地装置,完善接地系统;另外,还必须利用软件手段,进一步提高PLC系统的安全可靠性。
2。2 工程实用的抗干扰措施
2。2。1电源要求
电力网的干扰窜入PLC控制系统主要是通过PLC系统的CPU电源、I/O电源等供电电源、传感器及其供电电源、与PLC系统具有直接电气连接的仪表装置和供电电源等耦合进入的。当前的PLC系统供电电源的隔离性能相对较好,但外部的传感器、变送器的供电电源以及与PLC系统有直接电气连接的各类仪表的供电电源的隔离能力较差。因此,包括PLC在内的所有相关装置和仪表均应采用性能优良的供电电源,以抑制由电网引入的干扰。
如果条件允许的话,尽可能采用在线式不间断供电电源(UPS)对PLC系统及其相关装置和仪表提供电能,这不仅能保证不中断馈电,提高供电的安全可靠性和电能质量,而且UPS还具有较强的干扰隔离性能。
2。2。2电缆要求
PLC系统对于电缆的要求包含正确选择电缆和正确敷设电缆两个方面。PLC的信号电缆应选用屏蔽电缆,且不同类型的信号分别由不同电缆传输,应杜绝用同一条电缆的不同导线同时传送供电电源和控制信号等。在电缆的敷设方面应将信号电缆按传输信号的种类分层敷设。为减少电气动力设备、高频和中频电气设备、变频装置等电力电缆电磁辐射对PLC系统造成电磁干扰,严禁将电力电缆与信号电缆同槽敷设,也不得长距离靠近平行敷设。如果有条件的话,对于大功率设备、高中频加热装置的电缆,最好选用铜带 铠装屏蔽电力电缆,如交联聚乙烯绝缘铜带屏蔽钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆(YJV22型)等类型。
2.2.3信号滤波措施
利用电容器滤除电路上的高频骚扰和对电源解耦是相当有效的方法,因此信号接入PLC前,在信号线与地之间并接一只电容器,能减少共模干扰。电容器可选用高频瓷片型(CC)、聚苯乙烯(CB)、涤纶(CL),其容量视具体情况而定,一般在数千微微法至数万微微法之间。此外,在PLC输入端口信号两极之间加装滤波器可有效减少差模干扰。
2。2。4软件抗干扰措施
由于干扰存在的随机性,尤其是在工业生产环境下,硬件抗干扰措施并不能完全切断干扰进入控制系统,因此可以将软件与硬件措施相结合来提高系统的抗干扰能力。
在PLC控制系统的软件设计和组态时,应在软件方面进行抗干扰处理,以提高系统的可靠性。为了提高输入信号的信噪比,可采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅随机干扰的系统,可采用程序限幅法;对于在一定范围内频繁波动的流量、压力、液面、位移等现场工况参数,可采用平均算书法;对于缓慢变化信号(如温度参数),可连续三次采样,选取居中的采样值作为有效信号;对于积分器
A/D转换,采样时间应取工频周期的整倍数。
在工作现场振动较大的情况下,行程开关或按钮开关常会因抖动而发出错误信号。针对抖动时间短暂的特点,可用PLC内部计时器经过一定时间的延迟,得到消除抖动后的可靠有效信号,从而达到抗干扰的目的。
PLC内部具有丰富的软器件,如定时器、计数器、辅助继电器等,利用它们来设计一些程序,可以屏蔽输入元件的误信号,防止输出元件的误动作。在设计应用程序时,可以利用“看门狗”方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件时,编程时可定义一个定时器作“看门狗”用,对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值,为运动部件所需要的最大可能时间。在发出该部件的动作指令时,同时启动“看门狗”定时器。若运动部件在规定时间内达到指定位置,发出一个动作完成信号,使定时器清零,说明监控对象工作正常;否则,说明监控对象工作不正常,发出报警或停止工作信号。
软件抗干扰措施还有定时校正参考点电位,并采用动态零点,可防止电位漂移;采用信息冗余技术,设计相应的软件标志位;采用间接跳转,设置软件保护等。
2。2。5接地措施
完善的接地系统是PLC控制系统有效抑制电磁干扰的重要措施,是保证其安全可靠运行的重要条件。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响,装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz,因此PLC控制系统宜采用单点接地系统。集中布置的PLC适于并联一点接地,即将若干个PLC装置的参考地通过导线连接到同一点后统一接地。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰,应给PLC装置接专用地线,并且接地点(包括接地极)应与其它设备分开。如果条件所限达不到这种要求,也可采用共用接地方式,即将PLC装置与其它动力设备分别通过各自的接地线共同连接到共用的接地极上。绝对禁止PLC系统与其它电气设备联合采用串联接地方式,即PLC和其它电气设备分别通过各自的接地线汇接在一起或PLC的接地线连接至其它电气设备的接地端子后,再通过公用的接地线最终接到接地极上,因为如此接地必然导致PLC和其它电气设备之间产生电位差而引入干扰。
工程实践中,PLC系统的接地线宜采用铜导线,其截面不宜小于4mm2,连同接地体在内的接地电阻一般情况下不应大于10Ω。接地极最好埋设在距建筑物和防雷接地体10~15m处,接地体的装设可参照电气工程接地体的制作与施工方法。
PLC控制系统的电磁兼容性是一个相当复杂的问题,PLC控制系统的工作可靠性与多种因素有关。因此在进行抑制干扰设计中应综合考虑各个方面的因素,合理有效地实现电磁兼容。对于某些电磁环境复杂的工作场所,还需要具体问题具体分析,不能生搬硬套某些技术方案,要有针对性地采取切实可行的措施,方能使PLC系统可靠而稳定地工作,保证被控设备或系统安全高效运行。
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