如何解除交流電電流對4-20ma輸入的幹擾
發(fā)布時(shí)間:2011/8/7 11:13:23
可編程控制器(以下稱(chēng)PLC)是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制的設備。盡管其制造廠(chǎng)采取了一些措施,使得它的可靠性較高,但還有許多外部因素也會(huì )使它產(chǎn)生干擾,造成程序誤變或運算錯誤,從而產(chǎn)生誤輸入井引起誤輸出,這將會(huì )造成設備的失控和誤動(dòng)作。要提高PLC控制系統可靠性,一方面要求PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家用提高設備的抗干擾能力;另一方面,要求工程設計、安裝施工和使用維護中引起高度重視,多方配合才能完善解決問(wèn)題,有效地增強系統的抗干擾性能。隨著(zhù)PLC應用的日漸廣泛,其抗干擾問(wèn)題也顯得日益重要。本文就此問(wèn)題提出一些抗干擾的措施。
一、 控制系統中干擾及其來(lái)源
1、 干擾源及一般分類(lèi)
影響PLC控制系統的干擾源與一般影響工業(yè)控制設備的干擾源一樣,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。
干擾類(lèi)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(lèi)方法。共模干擾是信號對地的電位差,主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線(xiàn)上感應的共態(tài)(同方向)電壓迭加所形成。共模電壓通過(guò)不對稱(chēng)電路可轉換成差模電壓,直接影響測控信號,造成元器件損壞(這就是一些系統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兩極間的干擾電壓,主要由空間電磁場(chǎng)在信號間耦合感應及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓,這種干擾疊加在信號上,直接影響測量與控制精度。
2、 PLC系統中干擾的主要來(lái)源及途徑
(1)來(lái)自空間的輻射干干擾
空間的輻射電磁場(chǎng)(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡(luò )、電氣設備的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線(xiàn)電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產(chǎn)生的,通常稱(chēng)為輻射干擾,其分布極為復雜。若PLC系統置于所射頻場(chǎng)內,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PLC內部的輻射,由電路感應產(chǎn)生干擾;而是對PLC通信內網(wǎng)絡(luò )的輻射,由通信線(xiàn)路的感應引入干擾。輻射干擾與現場(chǎng)設備布置及設備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小,特別是頻率有關(guān),一般通過(guò)設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護。
(2)來(lái)自系統外引線(xiàn)的干擾
主要通過(guò)電源和信號線(xiàn)引入,通常稱(chēng)為傳導干擾。這種干擾在我國工業(yè)現場(chǎng)較嚴重。
a 來(lái)自電源的干擾
PLC系統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(xiàn)路上感應電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內部的變化,入開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設備起停、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(xiàn)路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源,但其機構及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實(shí)際上,由于分布參數特別是分布電容的存在,絕對隔離是不可能的。
b 來(lái)自信號線(xiàn)引入的干擾
與PLC控制系統連接的各類(lèi)信號傳輸線(xiàn),除了傳輸有效的各類(lèi)信息之外,總會(huì )有外部干擾信號侵入。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;二是信號線(xiàn)受空間電磁輻射感應的干擾,即信號線(xiàn)上的外部感應干擾,這是很?chē)乐氐摹S尚盘栆敫蓴_會(huì )引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低,嚴重時(shí)將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統,還將導致信號間互相干擾,引起共地系統總線(xiàn)回流,造成邏輯數據變化、誤動(dòng)和死機。PLC控制系統因信號引入干擾造成I/O模件損壞數相當嚴重,由此引起系統故障的情況也很多。
c 來(lái)自接地系統混亂時(shí)的干擾
接地是提高電子設備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地,既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制設備向外發(fā)出干擾;而錯誤的接地,反而會(huì )引入嚴重的干擾信號,使PLC系統將無(wú)法正常工作。
PLC控制系統的地線(xiàn)包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統混亂對PLC系統的干擾主要是各個(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,當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí),地線(xiàn)電流將更大。
此外,屏蔽層、接地線(xiàn)和大地有可能構成閉合環(huán)路,在變化磁場(chǎng)的作用下,屏蔽層內有會(huì )出現感應電流,通過(guò)屏蔽層與芯線(xiàn)之間的耦合,干擾信號回路。若系統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(xiàn)上產(chǎn)生不等電位分布,影響PLC內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的邏輯運算和數據存貯,造成數據混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降,引起對信號測控的嚴重失真和誤動(dòng)作。
(3)來(lái)自PLC系統內部的干擾
主要由系統內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(chǎng)對系統內部進(jìn)行電磁兼容設計的內容,比較復雜,作為應用部門(mén)是無(wú)法改變,可不必過(guò)多考慮,但要選擇具有較多應用實(shí)績(jì)或經(jīng)過(guò)考驗的系統。
三、主要抗干擾措施
1、采用性能優(yōu)良的電源,抑制電網(wǎng)引入的干擾
在PLC控制系統中,電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入PLC控制系統主要通過(guò)PLC系統的供電電源(如CPU 電源、I/O電源等)、變送器供電電源和與PLC系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的。現在,對于PLC系統供電的電源,一般都采用隔離性能較好電源,而對于變送器供電的電源和PLC系統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,對于變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容小、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系統的干擾。
此外,位保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷,可采用在線(xiàn)式不間斷供電電源(UPS)供電,提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強的干擾隔離性能,是一種PLC控制系統的理想電源。
2、電纜選擇的敖設
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(xiàn)生產(chǎn)的電磁干擾,該工程投產(chǎn)后取得了滿(mǎn)意的效果。
不同類(lèi)型的信號分別由不同電纜傳輸,信號電纜應按傳輸信號種類(lèi)分層敖設,嚴禁用同一電纜的不同導線(xiàn)同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號,避免信號線(xiàn)與動(dòng)力電纜靠近平行敖設,以減少電磁干擾。
3、 硬件濾波及軟件抗如果措施
由于電磁干擾的復雜性,要根本消除迎接干擾影響是不可能的,因此在PLC控制系統的軟件設計和組態(tài)時(shí),還應在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理,進(jìn)一步提高系統的可靠性。常用的一些措施:數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),設計相應的軟件標志位;采用間接跳轉,設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。
信號在接入計算機前,在信號線(xiàn)與地間并接電容,以減少共模干擾;在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。
對干較低信噪比的模擬量信號.常因現場(chǎng)瞬時(shí)干擾而產(chǎn)生較大波動(dòng),若僅用瞬時(shí)采樣植進(jìn)行控制計算會(huì )產(chǎn)生較大誤差,為此可采用數字濾波方法。現場(chǎng)模擬量信號經(jīng)A/D轉換后變成離散的數字信號,然后將形成的數據按時(shí)間序列存入PLC內存。再利用數字濾波程序對其進(jìn)行處理,濾去噪聲部分獲得單純信號, 可對輸入信號用m次采樣值的平均值來(lái)代替當前值,但井不是通常的每采樣。次求一次平均值,而是每采樣一次就與最近的m-l次歷史采樣值相加,此方法反應速度快,具有很好的實(shí)時(shí)性,輸入信號經(jīng)過(guò)處理后用干信號顯示或回路調節,有效地抑制了噪聲干擾。
由干工業(yè)環(huán)境惡劣,干擾信號較多, I/ O信號傳送距離較長(cháng),常常會(huì )使傳送的信號有誤。為提高系統運行的可靠性,使PLC在信號出錯倩況下能及時(shí)發(fā)現錯誤,并能排除錯誤的影響繼續工作,在程序編制中可采用軟件容錯技術(shù)。
4、正確選擇接地點(diǎn),完善接地系統
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。完善的接地系統是PLC控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。
系統接地方式有:浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統而言,它屬高速低電平控制裝置,應采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響,裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz,所以PLC控制系統接地線(xiàn)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)以單獨的接地線(xiàn)引向接地極。如果裝置間距較大,應采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。用一根大截面銅母線(xiàn)(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(xiàn)直接連接接地極。接地線(xiàn)采用截面大于22 mm2的銅導線(xiàn),總母線(xiàn)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遠處(或與控制器間不大于50m),而且PLC系統接地點(diǎn)必須與強電設備接地點(diǎn)相距10m以上。
信號源接地時(shí),屏蔽層應在信號側接地;不接地時(shí),應在PLC側接地;信號線(xiàn)中間有接頭時(shí),屏蔽層應牢固連接并進(jìn)行絕緣處理,一定要避免多點(diǎn)接地;多個(gè)測點(diǎn)信號的屏蔽雙絞線(xiàn)與多芯對絞總屏電纜連接時(shí),各屏蔽層應相互連接好,并經(jīng)絕緣處理。選擇適當的接地處單點(diǎn)接點(diǎn)。
五、結束語(yǔ)
以上的措施,經(jīng)若干PLC控制系統現場(chǎng)實(shí)際運行表明,能夠基本消除現場(chǎng)干擾信號的影響,保證系統的可靠運行。PLC控制系統中的干擾是一個(gè)十分復雜的問(wèn)題,因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制抗干擾,對有些干擾情況還需做具體分析,采取對癥下藥的方法,才能夠使PLC控制系統正常工作。