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PLC应用中的干扰及其抑制
http://www.weixiu8.com/ 2015-1-9 9:08:44
PLC应用中的干扰及其抑制
   可编程逻辑控制器(PLC)是用于工业现场的前端自动化技术基础装备,可以直接在大多数工业环境中使用。但是,当生产环境过于恶劣,电磁干扰特别强烈或安装使用不当时,就会造成程序错误或运算错误,从而产生误输入并引起误输出。笔者在机电维修行业工作二十多年,接触过各种各样的现场干扰问题。笔者将PLC应用中遇到的问题及解决办法作一系统阐述。希望对读者有所帮助。
    PLC控制系统的可靠性一直是机电行业和自动化生产线所关注的焦点,因为它直接影响企业的生产安全和经济效益,而系统的抗干扰能力则是保证系统可靠运行的重要指标之一。影响PLC控制系统的干扰源,大都产生在电流或电压剧烈变化的部位,其原因是电流改变产生磁场,对设备产生电磁辐射,磁场改变产生电流,电磁高速变化产生电磁波。在实际工作中,为防止干扰,可采用硬件和软件的抗干扰措施,其中,硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施,一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源,切断干扰对系统的耦合通道,降低系统对干扰信号的敏感性。
    1.来自电源的干扰
    电网的干扰,频率的波动,将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。
    例如:我区某钢铁有限公司4台加热炉的PLC系统的电源原先均来自电网供电。由于该地区属能源重化工基地,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出电压和电流。特别是电网内部的变化,如开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路瞬态冲击等,都通过输电线路传到电源原边。虽然PLC电源采用隔离电源,但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。根据实际工作中的经验分析,由于分布参数特别是分布电容的存在,绝对隔离是不可能的。例如,其中两台蓄热式加热炉在以前运行中,经常无规律性出现故障,整个PLC系统无法正常运行。故障时CPU模块上指示内部故障的LED显示“INTF”(用户程序错误)、指示外部故障的LED显示“EXTF”(I/O模板的故障),经常报警,我们从PLC程序开始到I/O模板逐一排查,均未查出问题,但将PLC重启后故障消除。如此重复数次后,怀疑是电源引入的干扰造成PLC控制系统故障,所以我们改用在线式不间断供电电源(UPS)为PLC供电,经改造后,运行将近两年,PLC不再频繁报警。
    电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。此外,普通的整流滤波电源,由于纹波的影响,也容易使PLC接收到错误信息。
    2.来自信号线的干扰
    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;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,这是很严重的。
    由信号引入干扰会引起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。控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重,由此引起系统故障的情况也很多。
    例如:某轧钢厂蓄热式加热炉的自动出钢系统,由于出钢机、炉门的电机电源线与PLC控制回路的PROFIBUS信号线的距离偏近,出钢机启停过程中产生电磁辐射,控制回路的信号线受电磁辐射感应的干扰,致使自动出钢系统时常在出钢时工作异常;出钢机前进过程中,炉门突然下降,使炉门与出钢托杆相撞,将炉门撞坏。后经改造,使控制回路的信号线远离强电电源,才得以控制。
    (注:PROFIBUS是一种工业现场总线,它取代了以往的点对点式的I/O连接方式,只用一根PROFIBUS电缆和标准的PROFIBUS插头就可以完成连接的过程。本例中的PROFIBUS电缆的作用是连接控制室PLC与现场PLC)。
    为了减少动力电缆辐射电磁干扰,我们将PROFIBUS电缆远离动力电缆,动力电缆走地下电缆沟,PROFIBUS电缆走架空线路。而对于其他信号电缆,不同类型的信号分别由不同电缆传输,信号电缆应按传输信号种类分层敷设,避免同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号,避免信号线与动力电缆靠近平行敷设,以减少电磁干扰。转载请注明转自“维修吧-http://www.weixiu8.com
    3.来自接地系统混乱时的干扰
    接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一。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;而错误的接地,反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统将无法正常工作。
    例如:某钢铁厂蓄热式加热炉在大修施工期间,某电工将PLC系统的系统地、屏蔽地、保护地接到一起,调试过程中,整个炉子的控制系统极不稳定,如时常接收到误信号(PLC接收到引风机、循环水泵、给水泵等掉电信号,而实际上以上设备均正常运行),使炉子连锁紧急停炉,严重威胁到生产的正常运行。后将PLC系统的系统地、屏蔽地、保护地独立接地,才避免了此类事故的发生。
    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,影响控制系统内逻辑电路和模拟电路的正常工作。控制系统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控制系统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。例如电缆屏蔽层必须一点接地,如果电缆屏蔽层两端a、b都接地,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,地线电流将增大。
    此外,屏蔽层、接地线和大地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,通过屏蔽层与芯线之间的耦合,形成干扰信号回路。若系统地与其他接地处理混乱,所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布。
    完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。信号源接地时,屏蔽层应在信号侧接地;不接地时,应在PLC侧接地;信号线中间有接头时,屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理,一定要避免多点接地;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时,各屏蔽层应相互连接好,并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。
    使用的隔离变压器,其屏蔽层也要良好接地。次级连接线要使用双绞线(减少电线间的干扰),隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层,初级的屏蔽层接交流电网的地线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。
    而对于PROFIBUS电缆,由于干扰电流和电磁干扰是通过PROFIBUS电缆的屏蔽泄放到地
的。因此,屏蔽到地的低阻抗十分重要。电缆屏蔽通常是两端接地。特别在高频干扰情况下,用这种方法可以很好的抑制干扰。在大范围分散系统的各个总线之间存在电位差且不能实现等电位屏蔽接地时,就在一端将电缆屏蔽接地以避免在PROFIBUS电缆屏蔽中产生等电位屏蔽接地电流。因为在电缆屏蔽中有电缆均衡电流流过,会大大的降低屏蔽的效率。
    接地时注意:接地线应尽量粗,一般用大于2mm2的铜芯线接地;接地点应尽量靠近PLC控制器,接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线,不能避开时,应垂直相交,应尽量缩短平行走线的长度。
    PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题,不仅涉及到具体的输入输出设备和工业现场的环境,而且温度、湿度、震动、冲击等对PLC都会产生很大的影响,因此,在应用中,找出问题所在,知道现场干扰的源头,综合考虑各方面的因素,才能解决、合理有效地抑制干扰,使PLC控制系统正常工作。例如,在选择国外进口产品时要注意:我国是采用220V高内阻电网制式,而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大,零点电位漂移大,地电位变化大;工业企业现场的电磁干扰要比欧美地区高4倍以上,对系统抗干扰性能要求更高,在国外能正常工作的控制系统产品在国内工作就不一定能可靠运行,这就要在采用国外产品时,按我国的标准(GB/T13926)合理选择。
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