PLC控制在工業環境解決現場信號干擾的基本方法
電磁干擾 信號隔離器
PLC控制在工業環境解決現場信號干擾的基本方法 2018-01-26 PLC控制在工業環境解決現場信號干擾的基本方法 2375

    1. 概述

隨著科學技術的發展,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產和經濟運行,系統的干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,有的是安裝在生產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,設計人員只有預先了解到各種干擾才能有效保證系統可靠運行。

2. 電磁干擾源及對系統的干擾

影響PLC控制系統的干擾源于一般影響工業控制設備的干擾源一樣,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噪聲源,即干擾源。

干擾類型通常按干擾產生的原因、噪聲的干擾模式和噪聲的波形性質的不同劃分。其中:按噪聲產生的原因不同,分為放電噪聲、偶發噪聲等:按聲音干擾模式不同,分為共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地面的電位差,主要是由電網串入,、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態電壓所加形成。共模電壓有時較大,特別是采用隔離性能差的電器供電室,變送器輸出信號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,直接影響測控信號,造成元器件壞,這種共模干擾可為直流、亦可謂交流。共模干擾是指用于信號兩級間得干擾電壓,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電壓,這種讓直接疊加在信號上,直接影響測量與控制精度。

3. PLC控制系統中電磁干擾的主要來源有哪些呢?

1) 來自空間的輻射干擾

空間的輻射電磁場主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的,通常稱為輻射干擾。其分布極為復雜,若plc系統置于所設頻場內,就回收到輻射干擾,其影響主要通過兩條路勁,一是直接對PLC內部的輻射,由電路感應產生干擾,而是對PLC通信內網絡的輻射,出通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與現場設備所產生的電磁干場大小,特別是頻率有關,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) 來自系統外引線的干擾

主要通過電源和信號線引入,通常稱為傳導干擾。這種干擾在我國工業現場教嚴重。

3) 來自電源的干擾

實踐證明,因電源引入的干擾造成控制系統故障的情況很多,在,工程調式中遇到過,后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,由于電網覆蓋范圍廣,將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓和電路,尤其是電網內部的變化,開關操作浪涌、大型電力設備啟停、交直流轉動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊等,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,由于分布參數特別是分布電容的存在,絕對隔離室不可能的。

4) 來自接地系統混亂時引入的干擾

與PLC控制系統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控制系統將無法正常工作。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系統的干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,當發生異常狀態加雷擊時,地線電流將更大。

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,屏蔽層內有會出現感應電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,干擾信號回路。若系統地與其他接地處理混亂,所產生的地環流可能在地線上產生不等點位分布,影響PLC內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縣較低,邏輯地電位的分布干擾容易影響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

5) 來自信號線引入的干擾

與PLC控制系統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干擾。這往往被忽略;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,這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起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。對于隔離性能差的系統,還將導致信號間互相干擾,引起共地系統總線回流,造成邏輯數據變化、誤動和死機。PLC控制系統因信號引入干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內部的干擾

主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生,如邏輯電路互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香花不匹配使用等。這部屬于plc制造廠對系統內部進行電磁兼容設計的內容,比較復雜,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.系統受干擾時,常會遇到以下幾種主要干擾現象:

1) 系統發指令時,電機無規則地轉動;

2) 信號等于零時,數字顯示表數值亂跳;

3) 傳感器工作時,PLC采集過來的信號與實際參數所對應得信號值不吻合,且誤差值是隨機的,無規律的;

4) 與交流伺服系統共用同一電源工作不正常。

5.怎么樣才能更好、更簡單解決PLC系統干擾?

1) 理想狀態下是選用隔離性能較好的設備、選用優良的電源、動力線和信號線走線、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) 利用模擬信號隔離器,有稱作信號變送器、屬于信號調理的范疇其主要起抗干擾作用。正因為它有特別強的抗干擾能力所以在自動化控制系統中應用非常廣泛。尤其對與復雜的工業現場,控制程序越老越復雜。信號隔離器對各種模擬量信號進行輸入、輸出、電源三端隔離,的確是當今自動化控制系統中抗干擾的有效措施之一。

6.為什么解決PLC系統干擾首選信號隔離器呢?

1) 使用簡單方便、可靠、成本低廉,可同時解決多種干擾。

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

信號隔離器工作原理是什么?

首先將PLC接受的信號,通過半導體器件調制變換,然后通過光感或磁感器件進行隔離轉換,然后再進行解調變換回隔離前原信號或不同信號,同時對隔離后信號的供電電源進行隔離處理。保證變換后的信號、電源、地之間絕對獨立。

現在市場有那么多品牌的隔離器,價格參差不齊,該怎么選擇呢?

隔離器位于二個系統通道之間,所以選擇隔離器首先要確定輸入輸出功能,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)適應前后端通道接口模式,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產品性能,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、產品性價比是選擇隔離器的主要原則。

工作原理:首先將半導體器件調制變換,然后通過光感或磁感器進行隔離轉換,然后再進行解調回隔離前原信號,同時對隔離后信號的供電電源進行隔離處理,保證變換后信號的供電電源進行隔離處理。保證變換后的信號、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。

標準系列導軌結構,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干擾。

信號隔離器的主要類型有哪些?

1) 隔離器

工業生產中為增加儀表負載能力并保證連接同一信號的儀表之間互不干擾,提高提高電氣安裝性能。需要將輸入的電壓、電流或頻頻率、電阻等信號進行采集、放大、運算、和進行抗干擾處理后,再輸出隔離的電流和電壓信號,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號進行采集、放大、運算、和進行抗干擾處理后,再輸出隔離的電流信號和電壓信號,供后面的二次儀表或其它儀表使用。

3) 安全柵

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號隔離功能,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、信號及地之間的點火,限流、降壓雙重限制信號及電源回路,把進入危險場所的能量限制在安全定額范圍內。

信號隔離器安裝維護應注意哪些事項?

由于生產廠家不同,對隔離器的生產工藝、接線定義也不都相同,但使用場合基本相同,所以對產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. 作為信號隔離使用時,應將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,應將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確,注意電源有無及極性發證。

為什么有時PLC接收到的現象信號誤差大且穩定性差?

造成這種想象的原因很多,不同儀表信號參考點之間的電位差事重要因素。出于這個差造成儀表信號之間產生干擾電流,致使PLC誤差大且穩定性差。所以不同設備、儀表的信號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上模擬接口板形成共同的參考點,達到理想裝抗問題就解決了。

對4-20mA通道進行隔離,而機柜里沒有設置電源的空間了。怎么辦?

一種無源信號隔離器,它能實現4-20mA信號隔離且無需外接電源。PH1033就是此類產品。

現在市場有那么多品牌的隔離器,價格慘差不齊,該怎么選擇呢?

隔離器位于二個系統通道之間,所以選擇隔離器首先要確定輸入輸出功能,同時要使隔離器輸入輸出模式適應前后端通道接口模式,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產品性能,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,適用、可靠、產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號不穩定,怎么解決?

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干擾及抗干擾的問題。依據DCS模擬板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,又能將變送器信號隔離輸送到DCS。

PLC模擬板接口是二線回路供電方式的,而且需要對信號進行隔離,怎樣選用產品呢?

二線回路供電方式是一種常見模擬板接口。與這個接口相適合的產品稱為二線制回路隔離系列產品。這種隔離變送器內部的隔離器件均采用變壓器方式,一方面傳遞了信號,另一方面也將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等配電器產品等。

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。兩個系列產品的共同點是均能通過外部供電電源經隔離后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模擬電量。

安全柵的應用

安全柵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。安全柵將來自危險區的信號經隔離變送,輸出隔離的電流信號到安全區,安全柵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。安全柵廣泛應用于石化等行業的DCS/PLC/PCS等自動化系統中。

常見的安全柵按結構形式可分為齊納式和隔離式

齊納式安全柵的應用:

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,并限制了其應用范圍,原因如下:

1、 安裝位置要有非常可靠地接地系統,齊納式安全柵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柵的接地端子與大地想接后信號無法正確傳送,并且由于信號接地,直接降低信號抗干擾能力,影響系統穩定性。

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

隔離式安全柵的應用:

采取將輸入、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、 信號線路無需共地,使得檢測和控制回路信號的穩定性和抗干擾能力大大增強,從而提高了整個系統的可靠性。

4、 隔離式安全柵具備更強的輸入信號處理能力,能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等信號,這是齊納式安全柵所無法做到的。

5、 隔離式安全柵可輸出兩路相互隔離的信號,以提供給使用同一信號源的兩臺設備使用,并保證兩設備信號不互相干擾,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柵的特點和性能后可以看出,隔離式安全柵有著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柵作為主要本安防爆儀表,隔離式安全柵與逐漸取代了齊納式安全柵。

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