PLC系统抗干扰分析及其应用.pdf

过程控制实施技术 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 1 0 ，1 8 O AUT0M ATI oN I N PETR _ CH EM I CAL I NDUS TRY P L C系统抗干扰分析及其应用 张修 申 ， 王爱军 ， 高志 国 ， 盛伟 中国石化集团中原油田 天然气处理厂 ， 河南 濮 阳4 5 7 0 6 1 摘 要 随着 自动化控制技术的发展 ， 可编程控制器 P L C 在工业控制 的应用也越来越广泛 。P L C控制系统的可靠性 直接 影响企业的安全生产 ， 系统的抗干扰能 力关 系到 整个系统 的可靠 运行 。详细介绍石 油化工企业 中 P L C系统 受干扰 的具体 原 因， 通过对系统干扰源 的分析和解决措施 的应用 ， 探讨如何使 P L C控制系统正 常工作 。 关 键 词 可编程控制器 ； 干扰源； 硬件滤波 ； 数字滤波 中图分 类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 - 7 3 2 4 2 0 1 0 0 1 0 0 8 0 - 0 3 O 引 言 中原 油 田天 然 气处 理 厂 主要 从事 石 油伴 生 气 加工处 理 和轻烃 、 精细化 工产 品生产 。为 提高罐 区 自动 化控制 水平 ， 决 定 对 控 制 系统 进行 改造 ， 采 用 某仪表公司 HOL L i AS L K系统 ， 该系统采用 P L C 进行信号传输和控制 。由于 P L C集中安装在控制 室 ， 现场仪 表安 装 在罐 区现 场 和各 种设 备 上 ， 大 多 处在 强 电路 和强 电设备 所形 成 的恶 劣 电磁 环境 中 ， 通信 线路铺 设较 长 。该 系统 投入 运行 以来 ， 工 作一 直处 于不稳 定状 态 。经分 析 研 究后 认 为 系 统受 干 扰严重 ， 要提高 P L C控制系统的可靠性， 就要从多 方 面提 高系统 的抗 干扰能 力 。 1 分析 P L C系统干 扰源 1 ． 1 来 自空间的 辐射干 扰 空 间的辐射 电磁 场 E MI 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 P L C系统 置 于 以上 干扰 源频场 内 ， 就 会受 到 辐 射 干扰 ， 其 影 响 主要 通 过 两 条路径 一是直接对 P L C 内部的辐射 ， 由电路感 应产生干扰 ； 二是对 P L C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 P L C局部 屏蔽及 高 压泄 放 元件 进行保 护 。 1 ． 2来 自系统 外 引线 的干 扰 主要通过电源和信号线引入 ， 通常称为传导干 扰 。这种干扰在该厂罐区现场较为严重 。 a 来 自电源 的干扰 。P L C系统 的正常 电源均 由电网供 电 ， 由于 电 网覆 盖 范 围广 ， 它 将 受 到所 有 空 间电磁 干扰而 在线路 上产 生感应 电压 ， 尤其 是 电 网 内部 的变 化 。开 关操 作 、 大 型 电力设 备起 停 、 交 直流传动装置引起的谐波 、 电网短路暂态冲击等 ， 都通 过输 电线路 传 到 电源远 端 。P L C电源 通 常采 用隔离电源， 但其构成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 P L C控 制系 统连接的各类信号传输线， 除 了传输有效信号之 外 ， 总会有 外部 干扰信 号侵入 。此 干扰 主要 有两种 途径 一是通过变送器供 电电源或共用信号仪表 的供 电电源串入的电网干扰 ； 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 。 由信号引入干扰会引起 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， 还将导致信号问互相干扰， 引起 共 地 系统总线 回流 ， 造 成 逻 辑数 据 变 化 、 误动 和 死 机。P L C控制系统因信号引入干扰造成 I ／ O模件 损 坏 ， 由此引起 系统故 障的情 况很 多 。 c 来 自接地 系统 的干扰 。接地 是 提高 电子 设 备 电磁 兼容性 E MC 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 P L C系统 将无 法正常 工作 。 P L C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 P L C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 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 2 0 修改稿 。 作者简介 张修 申 1 9 6 4 一 男 ， 河南安 阳人 ， 现任 中国石 化中 原油田天然气处理厂副总工程 师， 一直从 事石油天 然气加工 工艺 研 究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 张修 申等． P L C系统抗 于扰分析及其应用 存在 的 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 如 雷击 时 ， 地 线 电流 将 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 内会 出现感 应 电流 ， 通过屏蔽层与芯线之间的耦合， 干扰信号回路 。 1 ． 3来 自 P h C 系统 内部 的干 扰 主要 由系统 内部 元 器 件及 电路 问 的相 互 电磁 辐 射产 生 ， 如 逻辑 电路相 互辐 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 。这属 于 P L C制造 厂对 系 统 内部 进 行 电磁 兼容设 计 的 内容 ， 比较 复 杂 ， 作 为使 用 者 是 无法 改变 的。 2抗干扰 措施 应用 2 ． 1 优化 供给 电源及 抑制 电 网引入 的干扰 在 P L C控制 系统 中 ， 电源 占有极 重要 的地位 。 电 网干扰 串入 P L C控 制 系统 主要 通 过 P L C 系统 的供 电电源 如 C P U 电源 、 i ／ o 电源等 、 变 送 器供 电 电源和与 P L C系统具 有 直接 电气连 接 的仪 表供 电电源等耦合进入的。对 P L C系统供电的电源和 P L C系统有直接电气连接仪表 的供 电电源 ， 采用 抑 制干扰 能力 强 的电源 ， 消除经 电源 耦合 而产 生 的 共模 干 扰 、 差 模 干 扰 。在 费 用 允 许 的 情 况 下 ， 为 P L C系统及 仪表 电源 在单 相 电源处 增 加模 块 式 的 浪 涌保护 器 ， 以消除 因雷 电引发 电 网电压波 动对 供 电板 卡 的损 坏 。 2 ． 2合理 的 电缆 敷设 为 了减 少动力 电缆 辐射 电磁 干扰 ， 尤 其 是变频 装 置馈 电 电缆 。采 用铜带 铠装 屏蔽 电力 电缆 ， 从 而 降低动力线产生的电磁干扰。不 同类型的信号分 别 由不同电缆传输 ， 信号电缆应按传输信号种类分 层铺 设 ， 严 禁用 同一条 电缆 的不 同导 线 同时传送 动 力 电源 和信 号 ， 避免信 号线 与动力 电缆靠 近平行 铺 设 ， 以减少 电磁 干扰 。 2 ． 3 硬件 滤波及 软件 抗干 扰 信号在接入计算机前 ， 在信号线与地间并接电 容， 以减少共模 干扰 ； 在信号两极 问加装滤波器 可 减 少差模 干扰 。由于 电磁 干扰 的 复杂性 ， 要根 本消 除干扰影响是不可能的， 因此在 P L C控制 系统 的 软件设计和组态时 ， 还应在软件方面进行抗干扰处 理 ， 进一步提高系统 的可靠性。常用 的一些措施 数字滤波和工频整形采样 ， 可有效 消除周期 性干 扰 ； 定 时校 正参 考点 电位 ， 并采用 动态 零点 ， 可有 效 防止电位漂移； 采用信息冗余技术 ， 设计相应 的软 件标志位 ； 采用间接跳转， 设置软件 陷阱等提高软 件结 构 可靠性 。 a 消振 。在振动环境 中， 行程 开关或按钮 常 常会因为振动而发出误信号 ， 一般的振动时间都比 较短 ， 针对振动时间短的特点 ， 可用 P L C内部计时 器经过一定时间的延时 ， 得到消除振动后的可靠有 效信 号 ， 从 而 达 到 抗 干 扰 目 的。如 该 厂 的 丙 烷 压 缩机 组 齿 轮箱 上 的本 特 利 振 动探 头 ， 每 次 6 ． 3 k V 高压拖动电机启动时 ， 都 要伴随着监测 的齿 轮箱 振动瞬间峰值 高 而联锁 保护 机组停 运 。经过对 该信号的延 时报警信号数值 的处理 ， 使开机一 次 成 功 。 b 数 字滤 波方 法提 高输 入信 号 的信 噪 比 。为 了提高输 入信 号 的信 噪 比， 常采用 软件 数字 滤波来 提 高有用 信号 真 实 性 。对 于 有 大 幅度 随机 干 扰 的 系统 ， 采 用程 序限 幅法 ， 即连续 采样 5 次 ， 若某 一次 采样 值远 远 大 于 其 他 几 次 采 样 的 幅值 ， 那 么 就 舍 去 。对于 流量 、 压 力 、 液 面 、 位 移 等参 数 ， 往 往 会 在 一 定 范 围 内 频 繁 波 动 ， 则 采 用 算 术 平 均 法 。 即用 n次采样 的平 均 值 来 代 替 当前 值 。一 般 认 为 流 量 一 1 2 ， 压 力 一 4较合适 。 对于 缓慢 变化 的信 号如温度参数， 可连续三次采样， 选取居 中的采样 值作为有效信号 。对于具有 积分器 A／ D转换来 说 ， 采样 时 间应 取 工频周 期 2 0 ms 的整数倍 。实践 证 明其 抑制工 频 干扰 能力超 过单纯 积分 器 的效果 。 2 ． 4正 确选择 接 地点和 完善 接地 系统 接地的 目的通 常有两个， 其一为了安全 ， 其二 是为 了抑 制干扰 。完 善 的接地 系统 是 P L C控制 系 统抗 电 磁 干 扰 的重 要 措 施 之 一 。 系统 接 地 方 式 浮地 方 式 、 直 接 接 地 方 式 和 电 容 接 地 三 种 方 式 。 P L C控制系统属于高速低 电平控制设 备， 应采用 直接接地方式 。由于信号 电缆分布电容 和输入设 备滤波等的影响 ， 储存罐之间的信号交换频率一般 都低 于 1 MHz ， 所 以 P L C控 制 系统 接 地 线 采 用一 点接 地 和串联 一点 接地 方式 。集 中布 置 的 P L C系 统适于并联一点接地方式 ， 各储存罐的柜体中心接 地点 以单独 的接 地线 引 向接 地 极 。 由于储 存 罐 间 距 较 大 ， 采 用 串联 一点 接 地方 式 。用一 根大截 面铜 母线 或绝缘电缆 连接各储存 罐的柜体 中心接地 点 ， 然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用 截面大于 2 2 mm2的铜导线 ， 总母线使用截 面大于 6 0 mm z的铜排 。接地极的接地电阻小于 2 Q， 而且 P L C系统接地 点必 须 与 强 电设 备 接地 点 相距 1 0 m 以上 。同时对于 新扩 建 的装 置 ， 增 加 的接 地环 网与 原有的接地环网连接成一体， 使之实现等电位。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 2 ． 5 P L C的输入和输出设备 输入电路元器件质量的优劣、 接线方式及是否牢 靠也是影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量 输人为例， 按钮、 行程开关的触点接触要保持在 良好 状态 ， 接线要 牢固可靠 。机械 限位 开关是 容易产生故 障的元件， 按钮触点的选择也影响到系统的可靠性。 对于开关量输出来说 ， P L C的输出有继电器输 出、 晶闸管输出、 晶体管输出三种形式， 选择不当会 使系统可靠性降低， 严重时导致系统不能正常工作 。 如晶闸管输 出只能用 于交 流 负载 ， 晶体管 输 出只 能 用于直流负载。此外， P L C的输出端子带负载能力是 有限的， 如果超过了规定的最大限值， 必须外接继电 器或接触器 ， 才能正常工作 。外接继 电器 、 接触器 、 电 磁阀等执行元件的质量， 是影响系统可靠性的重要因 素。常见的故障有线圈短路、 机械故障造成触点不动 或接触不 良。若 P L C输 出端子接有感性元件 ， 则采取 相应 的保护措施 ， 以保护 P L C的输出触点 。 3结束 语 该 厂 的 P L C 系 统 抗 干 扰 问 题 研 究 讨 论 实 施 后 ， 系统 的稳 定性有 了很大 提高 。P L C控制 系 统 中 的 干 扰 是 一 个 十 分 复 杂 的 问 题 ， 因 此 在 抗 干扰 设 计 中应 综 合 考 虑 各 方 面 的 因 素 ， 合 理有 效 地 抑 制 抗 干 扰 ， 对 有 些 干 扰 情 况 还 需 做 具 体 分 析 ， 才 能 够 使 P L C控 制 系 统 正 常 工 作 。 参考文献 [ 1 ] 王幸之 单 片机应用系统 电磁 干扰与抗 干扰技术[ M] ． 北京 北京航天航空大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 铁道部工程设计鉴定中心 ， 通信线路及其他设施 电磁 干扰防 护工程设计指南[ M] ． 北京 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 王永华． 现代电气控制 及 P I C应用技术[ M] ． 北京 北 京航 天航空大学出版社， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 陈 洁． 案例解说 P L C、 触摸屏 及变频器综 合应用 [ M] ． 北 京 中 国电 力 出 版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 1 郁汉琪． 电气控制与可编程序控 制器应用技术[ M] ． 南京 东 南大学 出版社 ， 2 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