抗干扰技术在工业PLC控制系统中的应用.pdf

第3 3 卷2 0 1 5 年第3 期 总第 1 7 7 期 问题研究 抗干扰技术在工业 P L C 控制系统中的应用 赵妍 河北钢铁集团唐钢长材部唐山0 6 3 0 0 0 【 摘要】 介绍了影响P L C - 行的干扰类型、 来源， 提 出了 抗干扰设计的实施策略。 【 关键词】 可编程控制器 电 磁干扰屏蔽 App l i c a t i o n o f Ant i -i nt e rfe r e nc e Te c hno l o g y i n I ndus t r y P LC Co n t r o l S y s t e m ZHA0 Ya n T a n g ． g a n gL o n gP r o d u c t s D e p a r t me n t o f He b e i I r o nS t e e l G r o u p C o ． T ang s h an 0 6 3 0 0 0 【 A b s t r a c t ] I n tr o d u c e t h e i n t e r f e r e n c e t y p e a n d s o u r c e e ff e c t e d o n P L C o p e r a t i o n ， a n d p r o p o s e a n i mp l e me n t i n g s t r a t e g y f o r a n t i i n t e rfe r e n c e d e s i g n． 【 K e y w o r d s ] P r o g r a m m a b l e c o n tr o l l e r ， e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ， s h i e l d i n g 1 电磁干扰类型及其影响 1 ． 1 来 自空间的辐射干扰 空间辐射电磁场 E MI 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、 高频感应加热设备等产生的， 通常称为辐射干 扰 ， 其分布极为复杂。若 P L C 系统置于其射频场 内， 就会受到辐射干扰 ， 其影响主要通过两条路 径 一是直接对P L C内部的辐射 ， 由电路感应产生 干扰； 二是对P L C 通信网络的辐射， 由通信线路感 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 ， 一般通过设 置屏蔽电缆和P L C 局部屏蔽及高压泄放元件进行 保护 1 ． 2 来 自系统外引线的干扰 主要通过电源和信号线引入， 通常称为传导 干扰 。这种干扰在我 国工业现场较为严重 ， 主要 有下面三类 1 来 自电源的干扰。实践证明 ， 因电源引人 的干扰造成 P L C 控制系统故障的情况很多 ， 笔者 在某工程调试中遇到过 ， 后更换隔离性能更高的 P L C电源问题才得到解决。 P L C 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、 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 一 6O 一 输 电线路传到电源原边 。P L C电源通常采用隔离 电源 ， 但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性 并不理想。实际上， 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。 2 来 自信号线引入的干扰。与P L C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， 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人的电网干扰 ， 这往往被 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 ， 这种往往非常严重。 由信号引入的干扰会引起 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。P L C 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。 3 来 自接地系统混乱的干扰。接地是提高 电子设备电磁兼容性 E MC 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 P L C系统无法正常工作 。P L C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P L C 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 问题研究 第3 3 卷2 0 1 5 年第3 期 总第 1 7 7 期 差， 引起地环路电流， 影响系统正常工作。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 ， 地线电流将更大。 1 ． 3 来 自P L C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、 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。这 都属于 P L C制造厂家对 系统 内部进行 电磁兼容设 计 的内容 ， 比较复杂 ， 作 为应用部 门无法改变 ， 可 不必过多考虑 ， 但要选择具有较多应用实绩或经 过考验 的系统。 2 抗干扰设计 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， 必须从设计阶段开始便采取三个 方面抑制措施 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 。这 三点就是抑制电磁干扰的基本原则。 P L C 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。进行具体工程的抗干扰设计时， 应主要注意 以下两个方面。 2 ． 1 设备 选 型 在选择设备时， 首先要选择有较高抗干扰能 力的产品， 其包括了电磁兼容性 ， 尤其是抗外部干 扰 能力 ， 如采 用浮地 技术 、 隔离性 能好 的 P L C系 统； 其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标， 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 ； 另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。 在选择国外进 口产 品要注意 ， 我 国是采用 2 2 0 V高内阻电网制式， 而欧美地区是 1 I O V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 的电磁干扰至少要 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P L C 产品在国内工业就 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 G B ／T 1 3 9 2 6 合理选择。 2 ． 2综合抗 干扰 设 计 主要考虑来 自系统外部 的几种 抑制措施 ， 内 容包括 对 P L C系统及外引线进行屏蔽 以防空 间 辐射电磁干扰； 对外引线进行隔离、 滤波， 特别是 动力电缆应分层布置 ， 以防通过外引线引入传导 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， 进一步提高系 统 的安全可靠性 。 3 主要抗干扰措施 3 ． 1 优化电源， 抑制电网引入的干扰 在 P L C控 制 系统 中 ， 电源 占有 极 重要 的地 位。电网干扰串人P L C 控制系统主要通过P L C 系 统 的供 电电源 如 C P U电源 、 I ／ O电源等 、 变送器 供电电源和与P L C系统具有直接电气连接的仪表 供电电源等耦合进入的。现在对于P L C 系统供电 的电源， 一般都采用隔离性能较好的电源， 而对于 变送器供电电源以及和P L C系统有直接电气连接 的仪表供电电源， 并没受到足够的重视。虽然采 取了一定的隔离措施 ， 但普遍还不够， 主要是使用 的隔离变压器分布参数大 ， 抑制干扰能力差 ， 经 电 源耦合而 串人共模干扰 、 差模 干扰。所 以对于变 送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小 、 抑 制带大 如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术 的配 电器 ， 以减少 P L C系统的干扰 。 此外， 为保证电网馈电不中断， 可采用在线式 不间断供电电源 U P S 供电， 提高供电的安全可靠 性。而且 U P S 还具有较强的干扰隔离性能， 是一 种P L C 控制系统的理想电源。 3 ． 2 正确选择 电缆的和实施敷设 为了减少 动力 电缆尤其是变频装置馈 电电缆 的辐射电磁干扰 ， 在某工程中采用了铜带铠装屏 蔽电力电缆 ， 降低了动力线产生的电磁干扰， 该工 程投产后取得了满意的效果。 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 ， 严禁用同一电 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。 3 ． 3 正确选择接地点， 完善接地 系统 接地 的 目的通常有两个 ， 一 为了安全 ， 二是为 了抑制干扰。完善的接地系统是P L C 控制系统抗 电磁干扰的重要措施之一。 系统接地有浮地、 直接接地和电容接地三种 方式。对P L C 控制系统而言 ， 它属高速低电平控 制装置， 应采用直接接地方式。由于信号电缆分 [ 下转第6 4 页] 一 61 第3 3 卷2 0 1 5 年第3 期 总第 1 7 7 期 问题研究 S I E ME N S P L C有 强大 的控制 功能 ， 可 以在程 序 中直接调用通讯功能块 S F C 1 4 和 S F C 1 5 ， 完成对 从站变频器数据的读和写。其中 S F C 1 4 用于读 P R O F I B U S 从站即变频器的数据； S F C 1 5 用于将 数据写入P R O F I B U S 从站。l a d d r 配置P Z D的起始 地址为w 1 6 1 0 8 ， 如变频器 1 的起始地址 为w 1 6 1 0 8 。r e t v a l 以不同的代码表示程序运行状态正确 是否， r e c o r d 定义的P Z w数据区相对应的数据地址 是把从变频器读上来的数据放到变量存储 区。 p m l O ．0 b y t e 4 表示P L C 变量存储区即m w l 0 ／ m w l 2 的数据传输到变频器 中。 读写变频器控制字相应程序如下 CAL L” DP RD DA T” S F C 1 4一R e a d C o n s i s i t e n t Da t a o f a S t a n d a r d DP S l a v e I J ADDR Ⅵ僻 1 6 1 O 8 RET _VAL MW 1 0 0 REC ORD P M0 ． O BYT E 4 NOP 0 C AL L” DP E R DAT” S FC 1 5一 W r i t e Co n s i s t e n t Da t a t o a S t a n d ard DP S l a v e LADDR W 1 6 1 08 2 [ 上接第6 1 页] REC【 J RD P L 1 0． 0 BYTE4 RE T - - v AL MW2 0 0 NOP 0 4 ． 3 变频器控制程序 通过编程可以实现H M I 画面实时监控 ， 变频 给定值经变频器P I D 变换后实际开度值的输出梯 形程序图见图 3 。 通过以上硬件配置、 参数设置及网络通讯， 可 以实现变频器的精确、 稳定控制 ， 从而确保整个生 产的安全高效 。 5 结束语 以P R O F I B U S D P 为基础的P L C与变频器之 间的通讯 ， 在企业中得到广泛的应用 ， 不但节约大 量设备成本和维护工作量， 还可以实现H M I 实时 在线监 控各参 数 的功 能 。通 过计算 机 的过 程监 视、 数据采集、 参数控制、 实时曲线、 趋势曲线和事 故报警等画面， 使得操作人员能了解设备运行情 况， 及时发现和处理问题， 使复杂的基础 自动化控 制简单化。 2 0 1 5 - 0 4 - 1 3 收稿 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 1 M H z ， 所以P L C 控制系统 接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集 中 布置 的P L C系统适 于并 联一点接地方式 ， 各装置 的柜体 中心接地点 以单独 的接地线 引向接地极 。 如果装置间距较大 ， 应采用串联一点接地方式 ， 用 一 根大截面铜母线 或绝缘电缆 连接各装置的柜 体 中心接地点 ， 然后将接地母线直接连接接地 极 。接地线采用截面大于 2 2 mm 的铜导线 ， 总母线 使用截面大于6 0 m m 的铜排。接地极的接地电阻 小 于 2 1 2， 接 地极 最好埋 在距 建 筑物 1 0 1 5 m远 处 ， 而且P L C系统接地点必须与强电设备接地点 相距 1 0 m以上 。 信号源接地时， 屏蔽层应在信号侧接地； 不接 地时， 应在P L C 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 ． 6 4 ． 点接地。多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞 总屏蔽 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地。 4结语 P L C控制系统 的干扰是一个难题 ， 也很复杂 ， 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 ， 才能够使P L C 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 】 宫振呜． 可编程控制器的 系统设计与应 用实例． 北 京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 2 】 那丹彤． 跳频通信 干扰 与抗干扰技术． 国防工业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． 2 0 1 4 - 0 1 -1 6 收稿