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可編程控制器和HMI人機界面干擾分析和對策

發布日期:2017-10-19 11:35:36 點擊次數:

轉載自中國自動化網???作者:TDEC2008?

可編程控制器是一種新型的通用自動化控制裝置,作為工業控制領域的核心控制器,隨著工業設備自動化控制技術的發展,在工業設備控制中的應用越來越廣泛。本文綜合分析了PLC控制器和HMI人機界面現場應用時的干擾來源和干擾的途徑,提出消除或減少干擾源、合理接地、消除空間輻射干擾等抑制干擾、利用軟件保證控制系統穩定運行的對策。采取必要的抗干擾措施,保證可編程控制器、HMI人機界面的可靠性。114【中國自動化網社區】a7c2d1【http://sns.ca800.com】7e14


一.可編程控制器、HMI人機界面的電磁干擾的類型
  影響可編程控制器、人機界面HMI的干擾源大都產生在電流或電壓劇烈變化的部位,這些電荷劇烈移動的部位就是干擾源。干擾類型通常按干擾產生的原因、噪聲干擾模式和噪聲波形性質來劃分。按噪聲產生的原因不同,分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等;按噪聲的波形、性質不同,可分為持續噪聲、偶發噪聲等;按噪聲干擾模式不同,分為共模干擾和差模干擾。
  共模干擾是信號對地的電位差,主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態電壓迭加所形成。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓,影響測控信號,造成元器件損壞。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,這種干擾疊加在信號上,直接影響控制精度。071c【中國自動化網社區】77976c【http://sns.ca800.com】012


二、可編程控制器、HMI人機界面的電磁干擾的主要來源和途徑
1、來自空間的輻射對可編程控制器、HMI人機界面的干擾。
  空間輻射電磁場主要來自現場動力線路、電氣設備的暫態過程、雷電、無線信號、高頻感應加熱設備等,與現場設備布置及設備所產生的電磁場有關??删幊炭刂破?、HMI受到的輻射干擾,主要通過兩條路徑:一是對通信網絡的輻射,由通信線路感應引入干擾;二是直接對可編程控制器、HMI內部的輻射,由電路感應產生干擾。071c【中國自動化網社區】77976c【http://sns.ca800.com】012

2、來自電源的傳導對PLC控制器的干擾
PLC控制器電源通常采用隔離電源,但因其機構及制造工藝等因素使其隔離性并不理想。實踐中,因電源引入的干擾造成PLC控制器故障的情況很多。
PLC控制器的正常供電電源均由電網供電,由于電網覆蓋范圍廣,它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓和電流,尤其是電網內部的變化、大型設備起停、開關操作浪涌、短路電流沖擊、交直流傳動裝置引起的諧波等,都通過輸電線路傳到電源原邊,產生干擾。主要通過兩條路徑:一是通過PLC控制器供電電源引入的干擾;二是通過變送器電源或共用信號儀表的供電電源引入的干擾。75【中國自動化網社區】3517ae【http://sns.ca800.com】8dc09

3、來自信號線引入的傳導對可編程控制器的干擾
 ??與可編程控制器連接的各類信號傳輸線,除了傳輸有效的各類信號之外,還會受到外部干擾信號侵入。由信號引入的干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低,嚴重時將引起元器件損傷。干擾主要有兩種途徑:一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾;二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾,即信號線上的外部感應干擾。對于隔離、屏蔽性能差的系統,還將導致信號間互相干擾,引起共地系統總線回流,嚴重時造成系統誤動和死機。75【中國自動化網社區】3517ae【http://sns.ca800.com】8dc09

4、來自接地系統傳導對PLC控制器的干擾。
  接地是提高電子設備電磁兼容性的有效手段之一,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出干擾;而錯誤的接地反而會引入嚴重的干擾信號,使PLC控制器無法正常工作。?PLC控制器的接地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等,接地系統混亂對PLC控制器的干擾主要是各個接地點電位分布不均,不同接地點間存在地電位差,引起地環路電流,地環電流作用于PLC控制器,影響系統正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地,如果電纜屏蔽層兩端都接地,就存在地電位差,有電流流過屏蔽層。
此外,屏蔽層、接地線和大地可能構成閉合環路,在變化磁場的作用下,屏蔽層內會出現感應電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,干擾信號回路。若系統地與其它接地處理混亂,所產生的地環流就可能在地線上產生不等電位分布,影響PLC控制器內邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC控制器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控制器的邏輯運算和數據存貯,造成數據混亂、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作。75【中國自動化網社區】3517ae【http://sns.ca800.com】8dc09

5、來自可編程控制器、人機界面內部的干擾。
主要由可編程控制器、人機界面內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生,如元器件間的相互不匹配使用、邏輯電路相互輻射、模擬地與邏輯地的相互影響等。這都屬于國產PLC、人機界面制造廠家的設計問題,應用部門雖然無法改變,但選擇時要多加考證、比較。3617afb【中國自動化網社區】ae22bc【http://sns.ca800.com】6f5ed

三、可編程控制器、人機界面抗干擾對策?
進行具體工程的抗干擾設計時,要選擇有較高抗干擾能力的產品,采取抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑和利用軟件手段等措施,提高裝置和系統的抗干擾能力。3617afb【中國自動化網社區】ae22bc【http://sns.ca800.com】6f5ed

1、采用性能優良的電源,抑制電網引入的干擾。?
對于PLC控制器供電的電源,應采用非動力線路供電,直接從低壓配電室的主母線上采用專用線供電。選用隔離變壓器,且變壓器容量應比實際需要大1.2~1.5倍左右,還可在隔離變壓器前加入濾波器。對于變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容小、采用多次隔離和屏蔽及漏感技術的配電器??刂破骱虸/O系統分別由各自的隔離變壓器供電,并與主電路電源分開。PLC控制器的24V直流電源盡量不要給外圍的各類傳感器供電,以減少外圍傳感器內部或供電線路短路故障對PLC控制器的干擾。此外,為保證電網饋電不中斷,可采用在線式不間斷供電電源(UPS)供電,UPS具備過壓、欠壓保護功能、軟件監控、與電網隔離等功能,可提高供電的安全可靠性。對于一些重要的設備,交流供電電路可采用雙路供電系統。3617afb【中國自動化網社區】ae22bc【http://sns.ca800.com】6f5ed

2、正確選擇電纜的和實施敷設,消除可編程控制器、人機界面的空間輻射干擾。
不同類型的信號分別由不同電纜傳輸,采用遠離技術,信號電纜按傳輸信號種類分層敷設,相同類型的信號線采用雙絞方式。嚴禁用同一電纜的不同導線同時傳送動力電源和信號,避免信號線與動力電纜靠近平行敷設,增大電纜之間的夾角,以減少電磁干擾。為了減少動力電纜尤其是變頻裝置饋電電纜的輻射電磁干擾,從干擾途徑上阻隔干擾的侵入,要采用屏蔽電力電纜。3617afb【中國自動化網社區】ae22bc【http://sns.ca800.com】6f5ed

3、PLC控制器輸入輸出通道的抗干擾措施
輸入模塊的濾波可以降低輸入信號的線間的差模干擾。為了降低輸入信號與大地間的共模干擾,PLC控制器要良好接地。輸入端有感性負載時,對于交流輸入信號,可在負載兩端并接電容和電阻,對于直流輸入信號可并接續流二極管。為了抑制輸入信號線間的寄生電容、與其他線間的寄生電容或耦合所產生的感應電動勢,可采用RC浪涌吸收器。
輸出為交流感性負載,可在負載兩端并聯RC浪涌吸收器;若為直流負載,可并聯續流二極管,也要盡可能靠近負載。對于開關量輸出的場合,可以采用浪涌吸收器或晶閘管輸出模塊。另外,采用輸出點串接中間繼電器或光電耦合措施,可防止PLC控制器輸出點直接接入電氣控制回路,在電氣上完全隔離。81cfc【中國自動化網社區】60bbcf【http://sns.ca800.com】f7a

4、PLC控制器抗干擾的軟件措施
由于電磁干擾的復雜性,僅采取硬件抗干擾措施是不夠的,要用PLC控制器的軟件抗干擾技術來加以配合,進一步提高系統的可靠性。采用數字濾波和工頻整形采樣、定時校正參考點電位等措施,有效消除周期性干擾、防止電位漂移。采用信息冗余技術,設計相應的軟件標志位;采用間接跳轉,設置軟件保護等。例如對開關量輸入信號,采用定時器延時的方式多次讀入,結果一致再確認有效,?提高了軟件的可靠性。81cfc【中國自動化網社區】60bbcf【http://sns.ca800.com】f7a

5、正確選擇接地點,完善接地系統。?
良好的接地是保證PLC控制器可靠工作的重要條件,可以避免偶然發生的電壓沖擊危害,還可以抑制干擾。完善的接地系統是PLC控制器抗電磁干擾的重要措施之一。
  PLC控制器屬高速低電平控制裝置,應采用直接接地方式。為了抑制加在電源及輸入端、輸出端的干擾,應給PLC控制器接上專用地線,接地點應與動力設備的接地點分開。若達不到這種要求,也必須做到與其他設備公共接地,禁止與其他設備串聯接地。接地點應盡可能靠近PLC控制器。集中布置的PLC控制器適于并聯一點接地方式,各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。分散布置的PLC控制器,應采用串聯一點接地方式。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,而且PLC控制器接地點必須與強電設備接地點相距10m以上。如果要用擴展單元,其接地點應與基本單元的接地點接在一起。
信號源接地時,屏蔽層應在信號側接地;信號源不接地時,應在PLC控制器側接地。信號線中間有接頭時,屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理,各屏蔽層應相互連接好。選擇適當的接地處單點接地,要避免多點接地。81cfc【中國自動化網社區】60bbcf【http://sns.ca800.com】f7a

6、設備選型。
????在選擇設備時,首先要了解國產PLC生產廠家給出的抗干擾指標,如共模抑制比、差模抑制比、耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環境中工作等,要選擇有較高抗干擾能力的產品,如采用浮地技術、隔離性能好的可編程控制器、人機界面HMI。
??可編程控制器、人機界面現場應用時的抗干擾問題,是復雜而細致的??垢蓴_性設計是一個十分復雜的系統性工程,涉及到具體的輸入輸出設備和工業現場的具體環境,要求我們要綜合考慮各方面的因素,必須根據現場的實際情況,從減少干擾源、切斷干擾途徑等方面進行全面的考慮,充分利用各種抗干擾措施來進行可編程控制器、人機界面的設計。才能真正提高可編程控制器、人機界面HMI現場應用時的抗干擾能力,確保系統安全穩定運行。


應用方案

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