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電氣自動化工控系統(tǒng)信號干擾及解決方案

時間:2019-04-24 13:38:06來源:工控課堂

導(dǎo)語:?隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,DCS/PLC等自動化設(shè)備在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。這類控制系統(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)運行,系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,DCS/PLC等自動化設(shè)備在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。這類控制系統(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)運行,系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。

自動化系統(tǒng)中所使用的各種類型DCS/PLC等自動化設(shè)備,有的是集中安裝在控制室,有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場和各種電機設(shè)備上,它們大多處在強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高這類控制系統(tǒng)可靠性,必須消除各種干擾才能有效保證系統(tǒng)可靠運行。

PLC/DCS控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源

1.來自空間的輻射干擾空間的輻射電磁場(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、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/DCS系統(tǒng)置于射頻場內(nèi),就會收到輻射干擾,其影響主要通過兩條路徑;一是直接對DCS/PLC內(nèi)部的輻射,由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾;二是對DCS/PLC通信網(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)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小,特別是頻率有關(guān),一般通過設(shè)置屏蔽電纜和系統(tǒng)局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù).

2.來自系統(tǒng)外引線的傳導(dǎo)干擾

主要通過電源和信號線引入,通常稱為傳導(dǎo)干擾.這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較嚴(yán)重.

A.來自電源的干擾

實踐證明,因電源引入的干擾造成PLC/DCS控制系統(tǒng)故障的情況很多。PLC/DCS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,將受到所有空間電磁干擾.而在線路上感應(yīng)電壓和電流,尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化,開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流轉(zhuǎn)動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等,都通過輸電線路傳到電源邊.系統(tǒng)電源通常采用隔離電源,但其機構(gòu)及制造工藝因素使其隔離性并不理想.實際上,由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在,絕對隔離是不可能的.

B.來自信號線引入的干擾

與PLC/DCS控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線,除了傳輸有效的各類信號之外,總會有外部干擾信號侵入.此干擾主要有兩種途徑:一是通過變送器或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾,這往往被忽略;二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾,即信號線上的外部感應(yīng)干擾,這是很嚴(yán)重的.由傳輸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(yán)重時將引起元器件損傷.對于隔離性能差的系統(tǒng),還會導(dǎo)致信號間互相干擾,引起共地系統(tǒng)總線回流,造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機.PLC/DCS控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成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.

3.來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾

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;而錯誤的接地,反而會引入嚴(yán)重的干擾信號,使PLC/DCS系統(tǒng)將無法正常工作.DCS/PLC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DCS/PLC系統(tǒng)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(huán)路電流,影響系統(tǒng)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A、B都接地,就存在地電位差,有電流流過屏蔽層,當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)加雷擊時,地線電流會更大.

此外,屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路,在變化磁場的作用下,屏蔽層內(nèi)有會出現(xiàn)感應(yīng)電流,通過屏蔽層與芯線之間的輻合,干擾信號回路.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DCS/PLC的邏輯運算和數(shù)據(jù)存儲,造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機.模擬地電位的分布將導(dǎo)致測量精度下降,引起對信號測控的嚴(yán)重失真和誤動作.

4.來自DCS/PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

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,如邏輯電路互相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DCS/PLC制造廠對系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容,比較復(fù)雜,作為應(yīng)用部門是無法改變,可不必過多考慮,但要選擇具有較多應(yīng)用實踐或經(jīng)過考驗的系統(tǒng)。

常見的干擾現(xiàn)象及判斷方法

現(xiàn)象:

A、系統(tǒng)發(fā)指令時,電機無規(guī)則地轉(zhuǎn)動;

B、信號等于零時,數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳;

C、傳感器工作時,DCS/PLC采集過來的信號與實際參數(shù)所對應(yīng)的信號值不吻合,且誤差值是隨機的、無規(guī)律的;

D、與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源(如顯示器等)工作不正常.

判斷步驟如下:

A、用萬用表AC檔檢測接收端口,如受干擾會產(chǎn)生交流信號.如果這個信號不大,則對信號采集影響很小,幾乎沒有.如果這個交流信號大,則會影響數(shù)值,需想辦法解決。

B、看口端是否接地?如接地是否存在懸空或接地不良情況.用萬用表測口端和地(可以是系統(tǒng)地,也可以是信號地)之間的電壓差。若存在交流電壓,則表示存在干擾,若沒有交流電壓,有直流電壓差.這個電壓差大,影響系統(tǒng);差值小,則影響小,可忽略不計.

C、再看屏蔽層是否接地,是單點接地還是雙點接地?一般為單點接地.

更好、更簡單解決系統(tǒng)干擾方法

(1)、強電干擾:

儀表信號、DCS/PLC控制信號都為弱電,易受強電干擾.所以要求在柜外布線時(在電纜溝、電纜橋架、穿管等敷設(shè)方式),通訊線、信號線、控制線等弱電信號遠(yuǎn)離強電,間距不得少于20CM.電纜溝多層時,要求弱電電纜敷設(shè)在強電電纜下方.

(2)柜內(nèi)干擾:

DCS/PLC系統(tǒng)不能和高壓電器安裝在同一個開關(guān)拒內(nèi),PLC的輸出采用中間繼電器實現(xiàn)對外部開關(guān)量信號的隔離.如果現(xiàn)場條件限制,輸入信號不能和強電電纜有效的隔離,可用小型繼電器來隔離輸入端的開關(guān)量信號.當(dāng)然DCS/PLC來自控制柜內(nèi)的輸入信號和距控制柜不遠(yuǎn)的輸入信號一般沒有必要用繼電器隔離.

控制柜內(nèi)的有很多信號線.如走線混亂,會引起設(shè)備誤動作,檢查起來卻相當(dāng)麻煩.所以在控制柜設(shè)計時應(yīng)考慮到這種情況,設(shè)備分層擺放,走線清晰.成套時,將PLC的舊線和大功率線分開走線,如必須在同一線槽內(nèi),分開捆扎交流線、直流線,如條件允許,分槽走線最好,并使其有盡可能大的空間距離,力求將干擾降到最低限度.不同的信號線最好不用同一個插接件轉(zhuǎn)接,如必須用同一個插接件,要用備用端子或地線端子將它們分隔開,以減少相互干擾.

PLC不能和高壓電器安裝在同一個開關(guān)柜內(nèi),在柜內(nèi)PLC應(yīng)遠(yuǎn)離動力線(二者之間距離應(yīng)大于200mm).與PLC裝在同一個柜子內(nèi)的電感性負(fù)載,如繼電器、接觸器的線圈,應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路。

(3)信號線的抗干擾

信號線承擔(dān)著檢測信號和控制信號的傳輸任務(wù),傳輸質(zhì)量直接影響到整個控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性.對信號線的干擾主要是來自空間的電磁輻射,有差模干擾和共模干擾兩種.

差模干擾是指疊加在測量信號線上的干擾信號,這種干擾大多是頻率較高的交變信號,其來源一般是藕合干擾.抑制常態(tài)干擾的方法有:

A、在輸入回路接RC濾波器或雙T濾波器,

B、盡量采用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,由于這種積分器工作的特點,具有一定的消除高頻干擾的作用:

C、將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號再傳輸.

共模干擾是指信號線上共有的干擾信號,一般是由被測信號的接地端與控制系統(tǒng)的接地端存在一定的電位差引起的,這種干擾在兩條信號線上的周期、幅值基本相等情況下,采用上面的方法無法消除或抑制.方法如下:

A、采用雙差分輸入的差動放大器,這種放大器具有很高的共模抑制比;

B、輸入線采用絞合線,絞合線能降低共模干擾,其感應(yīng)互相抵消,

C、采用光電隔離的方法,可以消除共模干擾;

D、使用屏蔽線,并單邊接地;

為避免信號失真,對于較長距離傳輸?shù)男盘栆⒁庾杩蛊ヅ洹?/p>

開關(guān)量信號(如按鈕、限位開關(guān)、接近開關(guān)等提供的信號)一般對電纜無特殊要求,可選用一般的電纜,信號傳輸距離遠(yuǎn)時,可選用屏蔽電纜.

模擬信號和高速信號線(如脈沖傳感器、計數(shù)碼盤等提供的信號)應(yīng)選擇屏蔽電纜.

通訊電纜要求可靠性高,有的通信電纜的信號頻率很高,一般應(yīng)選擇PLC生產(chǎn)廠家提供的專用電纜,在要求不高或信號頻率較低時,也可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜,但品質(zhì)要好.

隨著自動化設(shè)備在工業(yè)控制中廣泛的應(yīng)用,干擾問題越來越突出。在自動控制中如何能有效的消除和抵抗干擾也越來越受到重視。本文只對自動化控制系統(tǒng)中常見的干擾問題進(jìn)行了簡單的分析,希望能對各公司的自動化生產(chǎn)中出現(xiàn)的干擾問題給予一定的幫助。


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