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电气自动化工控系统信号干扰及解决方案

2019年04月24日 13:38:06 565net亚洲必赢:工控课堂

随着科学技术的发展,DCS/PLC等自动化设备在工业控制中的应用越来越广泛。这类控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。

自动化系统中所使用的各种类型DCS/PLC等自动化设备,有的是集中安装在控制室,有的是安装在生产现场和各种电机设备上,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高这类控制系统可靠性,必须消除各种干扰才能有效保证系统可靠运行。

PLC/DCS控制系统中电磁干扰的主要来源

1.来自空间的辐射干扰空间的辐射电磁场(EMI)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PLC/DCS系统置于射频场内,就会收到辐射干扰,其影响主要通过两条路径;一是直接对DCS/PLC内部的辐射,由电路感应产生干扰;二是对DCS/PLC通信网络的辐射,由通信线路的感应引入干扰.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系统局部屏蔽及高压泄放元件进行保护.

2.来自系统外引线的传导干扰

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严重.

A.来自电源的干扰

实践证明,因电源引入的干扰造成PLC/DCS控制系统故障的情况很多。PLC/DCS系统的正常供电电源均由电网供电.由于电网覆盖范围广,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、交直流转动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到电源边.系统电源通常采用隔离电源,但其机构及制造工艺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.

B.来自信号线引入的干扰

与PLC/DCS控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信号之外,总会有外部干扰信号侵入.此干扰主要有两种途径:一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽略;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,这是很严重的.由传输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,还会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.PLC/DCS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.来自接地系统混乱时的干扰

接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)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PLC/DCS系统将无法正常工作.DCS/PLC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DCS/PLC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,当发生异常状态加雷击时,地线电流会更大.

此外,屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内有会出现感应电流,通过屏蔽层与芯线之间的辐合,干扰信号回路.若系统地与其它接地处理混乱,所产生的地环流可能在地线上产生不等电位分布,影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作.PLC工作的逻辑电压干扰容限较低,逻辑地电位的分布干扰容易影响DCS/PLC的逻辑运算和数据存储,造成数据混乱、程序跑飞或死机.模拟地电位的分布将导致测量精度下降,引起对信号测控的严重失真和误动作.

4.来自DCS/PLC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,如逻辑电路互相辐射及其对模拟电路的影响,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DCS/PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容,比较复杂,作为应用部门是无法改变,可不必过多考虑,但要选择具有较多应用实践或经过考验的系统。

常见的干扰现象及判断方法

现象:

A、系统发指令时,电机无规则地转动;

B、信号等于零时,数字显示表数值乱跳;

C、传感器工作时,DCS/PLC采集过来的信号与实际参数所对应的信号值不吻合,且误差值是随机的、无规律的;

D、与交流伺服系统共用同一电源(如显示器等)工作不正常.

判断步骤如下:

A、用万用表AC档检测接收端口,如受干扰会产生交流信号.如果这个信号不大,则对信号采集影响很小,几乎没有.如果这个交流信号大,则会影响数值,需想办法解决。

B、看口端是否接地?如接地是否存在悬空或接地不良情况.用万用表测口端和地(可以是系统地,也可以是信号地)之间的电压差。若存在交流电压,则表示存在干扰,若没有交流电压,有直流电压差.这个电压差大,影响系统;差值小,则影响小,可忽略不计.

C、再看屏蔽层是否接地,是单点接地还是双点接地?一般为单点接地.

更好、更简单解决系统干扰方法

(1)、强电干扰:

仪表信号、DCS/PLC控制信号都为弱电,易受强电干扰.所以要求在柜外布线时(在电缆沟、电缆桥架、穿管等敷设方式),通讯线、信号线、控制线等弱电信号远离强电,间距不得少于20CM.电缆沟多层时,要求弱电电缆敷设在强电电缆下方.

(2)柜内干扰:

DCS/PLC系统不能和高压电器安装在同一个开关拒内,PLC的输出采用中间继电器实现对外部开关量信号的隔离.如果现场条件限制,输入信号不能和强电电缆有效的隔离,可用小型继电器来隔离输入端的开关量信号.当然DCS/PLC来自控制柜内的输入信号和距控制柜不远的输入信号一般没有必要用继电器隔离.

控制柜内的有很多信号线.如走线混乱,会引起设备误动作,检查起来却相当麻烦.所以在控制柜设计时应考虑到这种情况,设备分层摆放,走线清晰.成套时,将PLC的旧线和大功率线分开走线,如必须在同一线槽内,分开捆扎交流线、直流线,如条件允许,分槽走线最好,并使其有尽可能大的空间距离,力求将干扰降到最低限度.不同的信号线最好不用同一个插接件转接,如必须用同一个插接件,要用备用端子或地线端子将它们分隔开,以减少相互干扰.

PLC不能和高压电器安装在同一个开关柜内,在柜内PLC应远离动力线(二者之间距离应大于200mm).与PLC装在同一个柜子内的电感性负载,如继电器、接触器的线圈,应并联RC消弧电路。

(3)信号线的抗干扰

信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务,传输质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性.对信号线的干扰主要是来自空间的电磁辐射,有差模干扰和共模干扰两种.

差模干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号,这种干扰大多是频率较高的交变信号,其来源一般是藕合干扰.抑制常态干扰的方法有:

A、在输入回路接RC滤波器或双T滤波器,

B、尽量采用双积分式A/D转换器,由于这种积分器工作的特点,具有一定的消除高频干扰的作用:

C、将电压信号转换成电流信号再传输.

共模干扰是指信号线上共有的干扰信号,一般是由被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差引起的,这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等情况下,采用上面的方法无法消除或抑制.方法如下:

A、采用双差分输入的差动放大器,这种放大器具有很高的共模抑制比;

B、输入线采用绞合线,绞合线能降低共模干扰,其感应互相抵消,

C、采用光电隔离的方法,可以消除共模干扰;

D、使用屏蔽线,并单边接地;

为避免信号失真,对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。

开关量信号(如按钮、限位开关、接近开关等提供的信号)一般对电缆无特殊要求,可选用一般的电缆,信号传输距离远时,可选用屏蔽电缆.

模拟信号和高速信号线(如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号)应选择屏蔽电缆.

通讯电缆要求可靠性高,有的通信电缆的信号频率很高,一般应选择PLC生产厂家提供的专用电缆,在要求不高或信号频率较低时,也可以选用带屏蔽的双绞线电缆,但品质要好.

随着自动化设备在工业控制中广泛的应用,干扰问题越来越突出。在自动控制中如何能有效的消除和抵抗干扰也越来越受到重视。本文只对自动化控制系统中常见的干扰问题进行了简单的分析,希望能对各公司的自动化生产中出现的干扰问题给予一定的帮助。


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