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Fanuc A20B-0008-0821
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可編程控制器（PLC）是一種新型的通用自動(dòng)化控制裝置，作為工業(yè)控制領(lǐng)域的核心控制器，隨著工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)設(shè)備控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。可編程控制器(PLC)具有控制功能強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、使用靈活方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。PLC 中采用了高集成度的微電子器件可靠性高,但由于使用時(shí)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境惡劣，如大功率用電設(shè)備的起動(dòng)或停止引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)形成低頻干擾和電磁輻射等惡劣電磁環(huán)境，大大降低了PLC控制系統(tǒng)的可靠性。為了確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，除PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家要提高設(shè)備的抗干擾能力；還要求應(yīng)用部門(mén)分析干擾源，采取必要的抗干擾措施，保證PLC控制系統(tǒng)的可靠性。
一、 電磁干擾的類(lèi)型
影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動(dòng)的部位就是干擾源。
干擾類(lèi)型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲波形性質(zhì)來(lái)劃分。按噪聲產(chǎn)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(zhì)不同，可分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)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(hào)對(duì)地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線(xiàn)上感應(yīng)的共態(tài)電壓迭加所形成。共模電壓通過(guò)不對(duì)稱(chēng)電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件損壞。差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的，這種干擾疊加在信號(hào)上，直接影響控制精度。
二、電磁干擾的主要來(lái)源和途徑
1、來(lái)自空間的輻射干擾。
空間輻射電磁場(chǎng)主要來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力線(xiàn)路、電氣設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線(xiàn)信號(hào)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)有關(guān)。PLC系統(tǒng)受到的輻射干擾，主要通過(guò)兩條路徑：一是對(duì)PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線(xiàn)路感應(yīng)引入干擾；二是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾。
2、來(lái)自電源的傳導(dǎo)干擾
PLC電源通常采用隔離電源，但因其機(jī)構(gòu)及制造工藝等因素使其隔離性并不理想。實(shí)踐中，因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多。
PLC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，它將受到所有空間電磁干擾而在線(xiàn)路上感應(yīng)電壓和電流，尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化、大型設(shè)備起停、開(kāi)關(guān)操作浪涌、短路電流沖擊、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波等，都通過(guò)輸電線(xiàn)路傳到電源原邊，產(chǎn)生干擾。主要通過(guò)兩條路徑：一是通過(guò)PLC供電電源引入的干擾；二是通過(guò)變送器電源或共用信號(hào)儀表的供電電源引入的干擾。
3、來(lái)自信號(hào)線(xiàn)引入的傳導(dǎo)干擾
與PLC控制系統(tǒng)連接的各類(lèi)信號(hào)傳輸線(xiàn)，除了傳輸有效的各類(lèi)信號(hào)之外，還會(huì)受到外部干擾信號(hào)侵入。由信號(hào)引入的干擾會(huì)引起I/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。干擾主要有兩種途徑：一是通過(guò)變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾；二是信號(hào)線(xiàn)受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號(hào)線(xiàn)上的外部感應(yīng)干擾。對(duì)于隔離、屏蔽性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線(xiàn)回流，嚴(yán)重時(shí)造成系統(tǒng)誤動(dòng)和死機(jī)。
4、來(lái)自接地系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾。
接地是提高電子設(shè)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(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯(cuò)誤的接地反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使PLC系統(tǒng)無(wú)法正常工作。 PLC控制系統(tǒng)的接地線(xiàn)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(duì)PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，地環(huán)電流作用于PLC系統(tǒng)，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)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(guò)屏蔽層。
此外，屏蔽層、接地線(xiàn)和大地可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過(guò)屏蔽層與芯線(xiàn)之間的耦合，干擾信號(hào)回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線(xiàn)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PLC的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、死機(jī)。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作。
5、來(lái)自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PLC制造廠(chǎng)家的設(shè)計(jì)問(wèn)題，應(yīng)用部門(mén)雖然無(wú)法改變，但選擇時(shí)要多加考證、比較。
三、 抗干擾對(duì)策
進(jìn)行具體工程的抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)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(tǒng)的抗干擾能力。
1、采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾。
對(duì)于PLC系統(tǒng)供電的電源，應(yīng)采用非動(dòng)力線(xiàn)路供電，直接從低壓配電室的主母線(xiàn)上采用專(zhuān)用線(xiàn)供電。選用隔離變壓器，且變壓器容量應(yīng)比實(shí)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(duì)于變送器和共用信號(hào)儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù)的配電器。 控制器和I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離變壓器供電，并與主電路電源分開(kāi)。PLC的24V直流電源盡量不要給外圍的各類(lèi)傳感器供電,以減少外圍傳感器內(nèi)部或供電線(xiàn)路短路故障對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾。
此外，為保證電網(wǎng)饋電不中斷，可采用在線(xiàn)式不間斷供電電源(UPS)供電，UPS具備過(guò)壓、欠壓保護(hù)功能、軟件監(jiān)控、與電網(wǎng)隔離等功能，可提高供電的安全可靠性。對(duì)于一些重要的設(shè)備，交流供電電路可采用雙路供電系統(tǒng)。
2、正確選擇電纜的和實(shí)施敷設(shè)，消除空間輻射干擾。
不同類(lèi)型的信號(hào)分別由不同電纜傳輸，采用遠(yuǎn)離技術(shù)，信號(hào)電纜按傳輸信號(hào)種類(lèi)分層敷設(shè)，相同類(lèi)型的信號(hào)線(xiàn)采用雙絞方式。嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線(xiàn)同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào)，避免信號(hào)線(xiàn)與動(dòng)力電纜靠近平行敷設(shè)，增大電纜之間的夾角，以減少電磁干擾。為了減少動(dòng)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。
3、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(hào)的線(xiàn)間的差模干擾。為了降低輸入信號(hào)與大地間的共模干擾，PLC要良好接地。輸入端有感性負(fù)載時(shí)，對(duì)于交流輸入信號(hào)，可在負(fù)載兩端并接電容和電阻，對(duì)于直流輸入信號(hào)可并接續(xù)流二極管。為了抑制輸入信號(hào)線(xiàn)間的寄生電容、與其他線(xiàn)間的寄生電容或耦合所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可采用RC浪涌吸收器。
輸出為交流感性負(fù)載，可在負(fù)載兩端并聯(lián)RC浪涌吸收器；若為直流負(fù)載，可并聯(lián)續(xù)流二極管，也要盡可能靠近負(fù)載。對(duì)于開(kāi)關(guān)量輸出的場(chǎng)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(diǎn)串接中間繼電器或光電耦合措施，可防止PLC輸出點(diǎn)直接接入電氣控制回路，在電氣上完全隔離。
4、抗干擾的軟件措施
由于電磁干擾的復(fù)雜性，僅采取硬件抗干擾措施是不夠的，要用PLC的軟件抗干擾技術(shù)來(lái)加以配合,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。采用數(shù)字濾波和工頻整形采樣、定時(shí)校正參考點(diǎn)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(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件標(biāo)志位；采用間接跳轉(zhuǎn)，設(shè)置軟件保護(hù)等。例如對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，采用定時(shí)器延時(shí)的方式多次讀入，結(jié)果一致再確認(rèn)有效， 提高了軟件的可靠性。
5、正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)。
良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害，還可以抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。
PLC控制系統(tǒng)屬高速低電平控制裝置，應(yīng)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(yīng)給可編程控制器接上專(zhuān)用地線(xiàn)，接地點(diǎn)應(yīng)與動(dòng)力設(shè)備（如電機(jī)）的接地點(diǎn)分開(kāi)。若達(dá)不到這種要求，也必須做到與其他設(shè)備公共接地（如圖一），禁止與其他設(shè)備串聯(lián)接地（如圖二）。接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近PLC。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線(xiàn)引向接地極。分散布置的PLC系統(tǒng)，應(yīng)采用串聯(lián)一點(diǎn)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(yuǎn)處，而且PLC系統(tǒng)接地點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10m以上。
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