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一、概述 ffice ffice" /> 6 g% F" _2 P7 J
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵,。自動(dòng)化系統(tǒng)中所使用的各種類型PLC，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和各電機(jī)設(shè)備上,，它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中,。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力,；另一方面,，要求工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中引起高度重視,，多方配合才能完善解決問(wèn)題,，有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。 " J' C" y4 E. s0 A. B( z! B
二,、電磁干擾源及對(duì)系統(tǒng)的干擾 , A' z1 @5 `0 Q) T
1 干擾源及干擾一般分類
9 q+ y1 e* D2 Y0 b2 u- J 影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣,，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動(dòng)的部位就是噪聲源,，即干擾源,。 ) b' s+ r& }* h. f9 }
干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分,。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同,，分為放電噪聲、浪涌噪聲,、高頻振蕩噪聲等,；按噪聲的波形、性質(zhì)不同,，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等,；按噪聲干擾模式不同,，分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法,。共模干擾是信號(hào)對(duì)地的電位差,，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成,。共模電壓有時(shí)較大,，特別是采用隔離性能差的配電器供電室，變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高,，有的可高達(dá)130V以上,。共模電壓通過(guò)不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測(cè)控信號(hào),，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因）,，這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓,，主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓,，這種直接疊加在信號(hào)上，直接影響測(cè)量與控制精度,。 9 N9 c/ i" G% R0 E% K9 p
2  LC控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來(lái)源 ! O: S6 e3 T$ u5 d, H
2.1 來(lái)自空間的輻射干擾
8 ]7 P/ j! B1 c 空間的輻射電磁場(chǎng)（EMI）主要是由電力網(wǎng)絡(luò),、電氣設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程、雷電,、無(wú)線電廣播,、電視、雷達(dá),、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的,，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜,。若PLC系統(tǒng)置于所射頻場(chǎng)內(nèi),，就回收到輻射干擾，其影響主要通過(guò)兩條路徑：一是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射,，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾,；而是對(duì)PLC通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)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(guò)設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù),。 8 _2 L; e5 h2 M6 }
2.2 來(lái)自系統(tǒng)外引線的干擾 9 }+ I9 ^, G5 B/ \. I
主要通過(guò)電源和信號(hào)線引入,，通常稱為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較嚴(yán)重,。
1 g w/ U! X) T! N9 c; S2 s（1）來(lái)自電源的干擾
3 v$ q& F+ S" m7 R9 d5 u 實(shí)踐證明,，因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多，筆者在某工程調(diào)試中遇到過(guò),，后更換隔離性能更高的PLC電源,，問(wèn)題才得到解決。 5 t: v( k! B2 W% B2 o. M- u5 P
LC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電,。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣,，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化,，入開(kāi)關(guān)操作浪涌,、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波,、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等,，都通過(guò)輸電線路傳到電源原邊,。PLC電源通常采用隔離電源，但其機(jī)構(gòu)及制造工藝因素使其隔離性并不理想,。實(shí)際上,，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對(duì)隔離是不可能的,。
4 i( @0 Z5 b- B& l0 m（2）來(lái)自信號(hào)線引入的干擾
7 D) S. _' P- L8 C9 P9 A2 s! V. } 與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線,，除了傳輸有效的各類信息之外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入,。此干擾主要有兩種途徑：一是通過(guò)變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾,，這往往被忽視；二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾,，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾,，這是很嚴(yán)重的。由信號(hào)引入干擾會(huì)引起I/O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)和死機(jī),。PLC控制系統(tǒng)因信號(hào)引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重,，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。
$ W( T/ i% b8 p' c+ z5 u9 Q（3）來(lái)自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾 . }6 j- Y2 F; @& z0 r# F3 `7 [: \
接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一,。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系統(tǒng)將無(wú)法正常工作,。
. s0 Y) `$ v; X) ?& Y3 U5 M LC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,。接地系統(tǒng)混亂對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差,，引起地環(huán)路電流,，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地,，如果電纜屏蔽層兩端A,、B都接地，就存在地電位差，有電流流過(guò)屏蔽層,，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí),，地線電流將更大。
: C& _, J6 ?. P6 N. i/ V 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(guò)屏蔽層與芯線之間的耦合，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，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作,。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低,，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,、程序跑飛或死機(jī),。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作,。 $ y: c$ Z7 ]- H
2.3 來(lái)自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾
h% w4 A9 y# }. Y" C/ ~4 a. U 主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生,，如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等,。這都屬于PLC制造廠對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的內(nèi)容,，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門是無(wú)法改變,，可不必過(guò)多考慮,，但要選擇具有較多應(yīng)用實(shí)績(jī)或經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的系統(tǒng)。 ( x. R- |) u, m: K
三,、PLC控制系統(tǒng)工程應(yīng)用的抗干擾設(shè)計(jì) # d8 `$ \" e9 V7 X1 e. C* o2 G
為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾,，必須從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始便采取三個(gè)方面抑制措施：抑制干擾源；切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑,；提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力,。這三點(diǎn)就是抑制電磁干擾的基本原則。 + O7 f0 S T: z4 c) J" t
PLC控制系統(tǒng)的抗干擾是一個(gè)系統(tǒng)工程,，要求制造單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)出具有較強(qiáng)抗干擾能力的產(chǎn)品,，且有賴于使用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮,，并結(jié)合具有情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性,。進(jìn)行具體工程的抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)主要以下兩個(gè)方面,。 8 k: W+ W. w& I" D
1 設(shè)備選型 + K% |; |7 X6 B5 R# e, T
在選擇設(shè)備時(shí),，首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性（EMC）,，尤其是抗外部干擾能力,，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC系統(tǒng),；其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo),，如共模擬制比、差模擬制比,，耐壓能力,、允許在多大電場(chǎng)強(qiáng)度和多高頻率的磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中工作；另外是靠考查其在類似工作中的應(yīng)用實(shí)績(jī),。在選擇國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品要注意：我國(guó)是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式,，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。由于我國(guó)電網(wǎng)內(nèi)阻大,，零點(diǎn)電位漂移大,，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上,，對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能要求更高,，在國(guó)外能正常工作的PLC產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)工業(yè)就不一定能可靠運(yùn)行，這就要在采用國(guó)外產(chǎn)品時(shí),，按我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13926）合理選擇,。
1 e7 L, j4 ?1 k) o1 q N5 B w, I2 綜合抗干擾設(shè)計(jì)
+ ^% y; W+ E6 e8 C6 h2 q 主要考慮來(lái)自系統(tǒng)外部的幾種如果抑制措施。主要內(nèi)容包括：對(duì)PLC系統(tǒng)及外引線進(jìn)行屏蔽以防空間輻射電磁干擾,；對(duì)外引線進(jìn)行隔離,、濾波，特別是原理動(dòng)力電纜,，分層布置,，以防通過(guò)外引線引入傳導(dǎo)電磁干擾；正確設(shè)計(jì)接地點(diǎn)和接地裝置,，完善接地系統(tǒng),。另外還必須利用軟件手段，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全可靠性,。
$ f/ L3 n$ C: Y# d四、主要抗干擾措施 # W% |: v$ }3 ^
1 采用性能優(yōu)良的電源,，抑制電網(wǎng)引入的干擾
7 q2 ~% w2 d' m7 w- ? 在PLC控制系統(tǒng)中,，電源占有極重要的地位,。電網(wǎng)干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要通過(guò)PLC系統(tǒng)的供電電源（如CPU 電源、I/O電源等）,、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�,，F(xiàn)在，對(duì)于PLC系統(tǒng)供電的電源,，一般都采用隔離性能較好電源,，而對(duì)于變送器供電的電源和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源，并沒(méi)受到足夠的重視,，雖然采取了一定的隔離措施,，但普遍還不夠，主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大,，抑制干擾能力差,，經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾,。所以,，對(duì)于變送器和共用信號(hào)儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù)）的配電器,，以減少PLC系統(tǒng)的干擾,。
6 o8 u* k$ a# N8 r' q# @ 此外，位保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷,，可采用在線式不間斷供電電源（UPS）供電,，提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強(qiáng)的干擾隔離性能,，是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源,。
9 H) i& {& t+ A$ |! C2 電纜選擇的敖設(shè) 4 Z0 r+ n' S. w/ ]: R. V1 X& K
為了減少動(dòng)力電纜輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜,。筆者在某工程中,，采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，從而降低了動(dòng)力線生產(chǎn)的電磁干擾,，該工程投產(chǎn)后取得了滿意的效果,。
6 K x4 |4 `/ c$ U 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),，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)，以減少電磁干擾,。 ) X5 q2 v( {( R( D! H- \4 ]
3 硬件濾波及軟件抗如果措施
2 v- F9 A) o7 s) d2 g+ y 信號(hào)在接入計(jì)算機(jī)前,，在信號(hào)線與地間并接電容，以減少共模干擾,；在信號(hào)兩極間加裝濾波器可減少差模干擾,。
8 S! s+ ~( N- G) a2 \ 由于電磁干擾的復(fù)雜性,，要根本消除迎接干擾影響是不可能的，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)在軟件方面進(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,；采用信息冗余技術(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。
: c3 x d# w$ F+ W7 U" m1 S4 正確選擇接地點(diǎn),，完善接地系統(tǒng) - _8 e' X% U/ ^" r; w* ^) X+ G* G! \# _) f
接地的目的通常有兩個(gè),，其一為了安全，其二是為了抑制干擾,。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一,。 ) o1 p: P# O. i' u6 Z; o! V* ?7 A
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,。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式,，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線引向接地極。如果裝置間距較大,，應(yīng)采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式,。用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點(diǎn)，然后將接地母線直接連接接地極,。接地線采用截面大于22mm2的銅導(dǎo)線,，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻小于2Ω,，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。
- X5 a9 r' H& m3 z/ v/ `0 ?% M 信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地,；不接地時(shí),，應(yīng)在PLC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,；多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞總屏電纜連接時(shí),，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理,。選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c(diǎn)接點(diǎn),。
2 d- g& h$ w! R7 `% B( s( _# ^五、 結(jié)束語(yǔ)
$ G9 t& v! }0 f# L: Z5 ] PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題,，因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素,，合理有效地抑制抗干擾，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。 + v& n7 l; D, t5 T: w3 w
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發(fā)表于 2006-12-17 17:03:20
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