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PLC控制在工業環境解決現場信号幹擾的基本方法
電磁幹擾 信号隔離器
PLC控制在工業環境解決現場信号幹擾的基本方法 2018-01-26 PLC控制在工業環境解決現場信号幹擾的基本方法 1875

    1. 概述

随着科學技術的發展,PLC在工業控制中的應用越來越廣泛。PLC控制系統的可靠性直接影響到工業企業的安全生産和經濟運行,系統的幹擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。自動化系統中所使用的各種類型PLC,有的是集中安裝在控制室,有的是安裝在生産現場和各種電機設備上,它們大多處在強電電路和強電設備形成的惡劣電磁環境中。要提高PLC控制系統可靠性,設計人員隻有預先了解到各種幹擾才能有效保證系統可靠運行。

2. 電磁幹擾源及對系統的幹擾

影響PLC控制系統的幹擾源于一般影響工業控制設備的幹擾源一樣,大都産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噪聲源,即幹擾源。

幹擾類型通常按幹擾産生的原因、噪聲的幹擾模式和噪聲的波形性質的不同劃分。其中:按噪聲産生的原因不同,分為放電噪聲、偶發噪聲等:按聲音幹擾模式不同,分為共模幹擾和差模幹擾是一種比較常用的分類方法。共模幹擾是信号對地面的電位差,主要是由電網串入,、地電位差及空間電磁輻射在信号線上感應的共态電壓所加形成。共模電壓有時較大,特别是采用隔離性能差的電器供電室,變送器輸出信号的共模電壓普遍較高,有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成共模電壓,直接影響測控信号,造成元器件壞,這種共模幹擾可為直流、亦可謂交流。共模幹擾是指用于信号兩級間得幹擾電壓,主要由空間電磁場在信号間耦合感應及由不平衡電路轉換共模幹擾所形成的電壓,這種讓直接疊加在信号上,直接影響測量與控制精度。

3. PLC控制系統中電磁幹擾的主要來源有哪些呢?

1) 來自空間的輻射幹擾

空間的輻射電磁場主要是由電力網絡、電氣設備的暫态過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等産生的,通常稱為輻射幹擾。其分布極為複雜,若plc系統置于所設頻場内,就回收到輻射幹擾,其影響主要通過兩條路勁,一是直接對PLC内部的輻射,由電路感應産生幹擾,而是對PLC通信内網絡的輻射,出通信線路的感應引入幹擾。輻射幹擾與現場設備所産生的電磁幹場大小,特别是頻率有關,一般通過設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓瀉放元件進行保護。

2) 來自系統外引線的幹擾

主要通過電源和信号線引入,通常稱為傳導幹擾。這種幹擾在我國工業現場教嚴重。

3) 來自電源的幹擾

實踐證明,因電源引入的幹擾造成控制系統故障的情況很多,在,工程調式中遇到過,後更換隔離性能較高的PLC電源。問題才能得到解決。

PLC系統的正常供電電源均由電網供電,由于電網覆蓋範圍廣,将受到所有空間電磁幹擾而在線路上感應電壓和電路,尤其是電網内部的變化,開關操作浪湧、大型電力設備啟停、交直流轉動裝置引起的諧波、電網短路暫态沖擊等,都通過社電線路到電源邊PLC電源通常采用隔離電源,但其結構及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實際上,由于分布參數特别是分布電容的存在,絕對隔離室不可能的。

4) 來自接地系統混亂時引入的幹擾

與PLC控制系統連接的各類信号傳輸線,除了傳輸有效的各類信号之外,總會有外部幹擾的影響,又能抑制設備向外發出幹擾,而錯誤的接地,反而會引入嚴重的幹擾信号,使PLC控制系統将無法正常工作。Plc控制系統的地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等、接地系統混亂對PLC系統的幹擾主要是各個接地點點位分布不均,不同接地點間存在地電位差,引起地環路電流,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,有電流流過地電位差,當發生異常狀态加雷擊時,地線電流将更大。

此外,屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合回路,在變化磁場的作用下,屏蔽層内有會出現感應電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,幹擾信号回路。若系統地與其他接地處理混亂,所産生的地環流可能在地線上産生不等點位分布,影響PLC内邏輯電路和模拟電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓幹擾容縣較低,邏輯地電位的分布幹擾容易影響PLC的邏輯運算和數據存儲,造成數據混亂、程序跑飛或死機,模拟地電位的分布将導緻測量精度下降引起對信号測控的嚴重失真和誤動作

5) 來自信号線引入的幹擾

與PLC控制系統連接的各類信号傳輸線,除了傳輸有效的各類信号之外,總會有外部幹擾信号侵入。此幹擾主要有兩種途徑:一是通過變送器或共用信号儀表的供電電源串入的電網幹擾。這往往被忽略;二是信号線受空間電磁輻射感應的幹擾,即信号線上的外部感應幹擾,這是很嚴重的。由信号引入幹擾會引起信号工作異常和測量精度大大降低,嚴重時将引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統,還将導緻信号間互相幹擾,引起共地系統總線回流,造成邏輯數據變化、誤動和死機。PLC控制系統因信号引入幹擾造成模件損壞數相當嚴重,由此引起系統故障的情況也很多。

6) 來自PLC内部的幹擾

主要由系統内部元器件及電路間的相互電磁輻射産生,如邏輯電路互輻射及其對模拟電路的影響,模拟地與邏輯地的相互影響及元器件間的香花不匹配使用等。這部屬于plc制造廠對系統内部進行電磁兼容設計的内容,比較複雜,作為應用部門事無法改變,可不必過多考慮,但要選擇具有較多應用實績或經過考驗的系統。

4.系統受幹擾時,常會遇到以下幾種主要幹擾現象:

1) 系統發指令時,電機無規則地轉動;

2) 信号等于零時,數字顯示表數值亂跳;

3) 傳感器工作時,PLC采集過來的信号與實際參數所對應得信号值不吻合,且誤差值是随機的,無規律的;

4) 與交流伺服系統共用同一電源工作不正常。

5.怎麼樣才能更好、更簡單解決PLC系統幹擾?

1) 理想狀态下是選用隔離性能較好的設備、選用優良的電源、動力線和信号線走線、電源接地要更加合理等,但是需要不同設備廠商共同協作才能完成,很難做到,而且成本較高。

2) 利用模拟信号隔離器,有稱作信号變送器、屬于信号調理的範疇其主要起抗幹擾作用。正因為它有特别強的抗幹擾能力所以在自動化控制系統中應用非常廣泛。尤其對與複雜的工業現場,控制程序越老越複雜。信号隔離器對各種模拟量信号進行輸入、輸出、電源三端隔離,的确是當今自動化控制系統中抗幹擾的有效措施之一。

6.為什麼解決PLC系統幹擾首選信号隔離器呢?

1) 使用簡單方便、可靠、成本低廉,可同時解決多種幹擾。

2) 可大量減輕設計人員、系統調試人員工作量,即使複雜的系統在普通的設計人員手裡,也會變得非常穩定可靠。

信号隔離器工作原理是什麼?

首先将PLC接受的信号,通過半導體器件調制變換,然後通過光感或磁感器件進行隔離轉換,然後再進行解調變換回隔離前原信号或不同信号,同時對隔離後信号的供電電源進行隔離處理。保證變換後的信号、電源、地之間絕對獨立。

現在市場有那麼多品牌的隔離器,價格參差不齊,該怎麼選擇呢?

隔離器位于二個系統通道之間,所以選擇隔離器首先要确定輸入輸出功能,同時要使隔離器輸入輸出模式(電壓型、電流型、環路供電型等)适應前後端通道接口模式,此外尚有精度、功耗、噪音、絕緣強度、總線通訊等許多重要參數涉及産品性能,例如:噪音與精度有關、功耗能量與可靠性有關,這些需要使用者慎選。總之,試用、可靠、産品性價比是選擇隔離器的主要原則。

工作原理:首先将半導體器件調制變換,然後通過光感或磁感器進行隔離轉換,然後再進行解調回隔離前原信号,同時對隔離後信号的供電電源進行隔離處理,保證變換後信号的供電電源進行隔離處理。保證變換後的信号、電源、地之間絕對獨立。

一:保護下級的控制回路。

二:消弱環境噪聲對測試電路的影響。

三:抑制公共接地、變頻器、電磁閥PLC/DCS輸入輸出及通訊接口的忠實防護。

标準系列導軌結構,易于安裝,可有效的隔離;輸入、輸出和電磁閥及大地之間的電位,能克服變頻器噪聲級各種高低頻脈動幹擾。

信号隔離器的主要類型有哪些?

1) 隔離器

工業生産中為增加儀表負載能力并保證連接同一信号的儀表之間互不幹擾,提高提高電氣安裝性能。需要将輸入的電壓、電流或頻頻率、電阻等信号進行采集、放大、運算、和進行抗幹擾處理後,再輸出隔離的電流和電壓信号,安全的送給二次儀表和PLC/DCS使用。

2) 配電器

工業現場一般需要采用兩線制傳輸方式,既要為變送器等一次儀表提供24V配電電源,同時又要對輸入的電流信号進行采集、放大、運算、和進行抗幹擾處理後,再輸出隔離的電流信号和電壓信号,供後面的二次儀表或其它儀表使用。

3) 安全栅

一些特殊的工業現場不但需要兩線制傳輸,既要提供配電電源又有信号隔離功能,同時還需要具有安全火花防爆的性能,可靠地遏制電源功率、防止電源、信号及地之間的點火,限流、降壓雙重限制信号及電源回路,把進入危險場所的能量限制在安全定額範圍内。

信号隔離器安裝維護應注意哪些事項?

由于生産廠家不同,對隔離器的生産工藝、接線定義也不都相同,但使用場合基本相同,所以對産品的防護要求及維護基本相同。

1. 使用前應詳細閱讀說明書。

2. 作為信号隔離使用時,應将輸入端串入環路電路中,輸出端接取樣回路。

3. 作為隔離配電使用時,應将輸入端并入電源電路中,輸出端接變送器。

4. 若不正常工作應先檢查接線是否正确,注意電源有無及極性發證。

為什麼有時PLC接收到的現象信号誤差大且穩定性差?

造成這種想象的原因很多,不同儀表信号參考點之間的電位差事重要因素。出于這個差造成儀表信号之間産生幹擾電流,緻使PLC誤差大且穩定性差。所以不同設備、儀表的信号有一個共同的參考點是最佳狀況。隔離器使輸入/輸出電氣上完全隔離,在PLC上模拟接口闆形成共同的參考點,達到理想裝抗問題就解決了。

對4-20mA通道進行隔離,而機櫃裡沒有設置電源的空間了。怎麼辦?

一種無源信号隔離器,它能實現4-20mA信号隔離且無需外接電源。PH1033就是此類産品。

現在市場有那麼多品牌的隔離器,價格慘差不齊,該怎麼選擇呢?

隔離器位于二個系統通道之間,所以選擇隔離器首先要确定輸入輸出功能,同時要使隔離器輸入輸出模式适應前後端通道接口模式,此外,尚有精度、功耗、噪音、絕緣強度、總線通訊功能等許多重要參數涉及産品性能,例如:噪音與精度有關、功耗能量與可靠性有關。這些需要使用者慎選。總之,适用、可靠、産品性價比是選擇隔離器的主要原則。

DCS接收到的現場二線制壓力變送器信号不穩定,怎麼解決?

二線制變送器在工業自動化領域中使用頻度較高,與其他工業現場設備相同,二線制變送器也存在受幹擾及抗幹擾的問題。依據DCS模拟闆接口模式選用功能不同的隔離配電器,原則上要求它既能給變送器提供隔離電源、保證每個變送器有一個獨立電源,又能将變送器信号隔離輸送到DCS。

PLC模拟闆接口是二線回路供電方式的,而且需要對信号進行隔離,怎樣選用産品呢?

二線回路供電方式是一種常見模拟闆接口。與這個接口相适合的産品稱為二線制回路隔離系列産品。這種隔離變送器内部的隔離器件均采用變壓器方式,一方面傳遞了信号,另一方面也将供電端的電能傳送到輸入部份,使輸入部分的各種電路能正常工作。例如ph2217等配電器産品等。

有幾種常用兩線制配電器?

常用的二線制隔離配電器有兩個系列品種可以選擇。兩個系列産品的共同點是均能通過外部供電電源經隔離後給兩線制變送器提供一個獨立的隔離電源:變送器配電取決于現場所配PLC/DCS模拟電量。

安全栅的應用

安全栅最初屬于電動單元組合儀表的輔助單元,其主要用途是防爆系統的隔離裝置。安全栅将來自危險區的信号經隔離變送,輸出隔離的電流信号到安全區,安全栅應用在本安防爆系統中,通過限流和限壓電路限制了送往現場回路的能量,從而防止非本安電路得危險能量串入本安回路。安全栅廣泛應用于石化等行業的DCS/PLC/PCS等自動化系統中。

常見的安全栅按結構形式可分為齊納式和隔離式

齊納式安全栅的應用:

電路中采用快速熔斷器、限流電阻或限壓二極管以對輸入的電能量進行限制,從而保證輸出到危險區的能量。但因由于原理的缺陷使其應用的可靠性受到影響,并限制了其應用範圍,原因如下:

1、 安裝位置要有非常可靠地接地系統,齊納式安全栅的接地電阻必須小于1歐姆,否則便失去防保安全保護性能,顯然這樣的要求是十分苛刻并在工程應用中很難保證。

2、 要求危險區的現場儀表必須是隔離型,否則通過齊納式安全栅的接地端子與大地想接後信号無法正确傳送,并且由于信号接地,直接降低信号抗幹擾能力,影響系統穩定性。

3、 齊納式安全栅對電源影響較大,同時也易因電源的波動3而造成齊納式安全栅的損壞。

隔離式安全栅的應用:

采取将輸入、輸出、電源之間相互電氣隔離的電路結構,同時符合本安型限制能量的要求。

1、 采用了三方隔離方式,因此無需系統接地線路,給設計及現場施工帶來極大方便。

2、 對危險區的現場儀表無需采用隔離式的儀表。

3、 信号線路無需共地,使得檢測和控制回路信号的穩定性和抗幹擾能力大大增強,從而提高了整個系統的可靠性。

4、 隔離式安全栅具備更強的輸入信号處理能力,能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等信号,這是齊納式安全栅所無法做到的。

5、 隔離式安全栅可輸出兩路相互隔離的信号,以提供給使用同一信号源的兩台設備使用,并保證兩設備信号不互相幹擾,同時提高所連接設備相互之間的電氣安全絕緣性能。

因此,對齊納式和隔離式安全栅的特點和性能後可以看出,隔離式安全栅有着突出的優點和更為廣泛用途,在要求較高的工程現場,幾乎無一例外地采用了隔離式安全栅作為主要本安防爆儀表,隔離式安全栅與逐漸取代了齊納式安全栅。

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