惡劣電磁環境下PLC控制系統抗干擾技術研究＊

(海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033)

1 引言

隨著世界現代艦船科技的迅速發展,大型艦船在商業和軍事上發揮著越來越重要的作用,但直接研究大型艦船往往要耗費大量資源,故而先研究一定縮尺比的船模更具有實際的意義。

目前PLC控制系統作為一種特殊形式的微型控制系統,在信號采集,信息傳送,網絡通信,實時控制以及抗干擾等方面都具有優越的性能[1]。并以其通用性好,編程簡單,性能穩定,便于擴展等優點而被廣泛應用于模型艦船的控制。但往往由于船模空間狹小,設備繁多,強電和弱電線路交叉布設等原因,造成船模上惡劣而復雜的電磁環境。在這種環境下存在諸多對PLC控制系統不利的干擾因素,這些干擾不但會直接影響系統的性能指標和正常運行,而且可能會導致PLC運行出錯,程序“跑飛”,嚴重影響控制系統的可靠性,穩定性及安全性。

本文結合工程實踐,根據某型船模的相關特點研究了控制系統的干擾來源及其抑制方法。經過驗證,確實解決了一些實際的干擾問題,提高PLC控制系統的抗干擾能力,也增強了該船模的安全性能和穩定性能。

2 某型船模機電系統分析

由圖1可以看出,在該船模的硬件系統構成中存在數字和模擬量傳感器,PLC,驅動器以及逆變器等大量電子設備,它們由許多強電線路和弱電線路所構成。此外該系統電力均由24V恒壓源電池組提供,當電機、逆變器等大功率設備在啟停時會對系統電網造成嚴重的污染,使得系統電壓大幅度漲落、浪涌從而導致電網上出現尖峰脈沖形成強烈電磁輻射干擾。這些干擾不單對系統有直接影響,也會在剛體船模有限的空間中多次反射,造成更為惡劣的的間接影響,對整個PLC控制系統的性能構成了極大的威脅,故而有必要對其進行研究并加以抑制。

圖1 某型船模硬件系統框圖

3 控制系統干擾來源分析

在工業應用中,設備現場產生的電磁干擾源的數量和強度取決于設備組成系統的復雜程度及用電設備的數量,種類,功率等因素,凡是有電流快速變化(或者有突變)的設備都會產生電磁干擾。根據電磁感應原理,感應電壓e=-Ldi/dt,式中i為用電設備中的電流,L為電流回路等效電感,感應電壓由電流變化而產生,這個感應電壓即為干擾信號,它以電場和磁場的形式向空間輻射或沿傳輸導線傳導進入電子電路,使電路中的正常信號被疊加而產生干擾,由此引起了PLC控制系統的不穩定[2]。結合實際情況,該船模硬件系統中產生干擾信號的形式有：繼電器和開關量的動作,逆變設備的運行及電機的啟停等等。此外該船模上使用的電源導線數量多,傳輸功率大,導線載流時也會形成電磁輻射,這種輻射易于對模擬量變送器造成干擾。本文依據這些干擾的形式對船模干擾來源做了相關分析,具體如下：

3.1 系統電源干擾

由于24V恒壓源電池組要對整個船模提供電力,因此當開關量動作,大功率設備起停以及逆變器的運行都有可能對電網形成浪涌沖擊,進而產生諧波干擾,由此引起系統電壓的不穩定。

實踐中發現,使用差分信號轉換為單路脈沖信號的電路在逆變器啟停或繼電器頻繁動作時,尖峰脈沖常常會通過電源串入轉換電路造成電子元件的損壞。

3.2 信號線干擾

船模硬件系統中,PLC連接了各類輸入輸出的信號線路,這些線路除了傳輸有效信號外,也會帶入一些外部干擾信號。這些干擾主要有兩種方式：一是通過傳感器供電電源串入的電網對其形成干擾;二是信號感應空間電磁輻射而形成的干擾,這種干擾往往是很嚴重的[3]。由信號線引入的干擾可能會使PLC運行異常,測量精度降低,嚴重時還會引起設備故障。

3.3 接地干擾

PLC的接地是提高控制系統電磁兼容性的有效手段之一。接地不當或者錯誤的接地會引入嚴重的干擾信號,這會對使PLC系統無法正常工作甚至導致嚴重的損害,而正確接地則可以抑制電磁干擾的影響[4],從而保證PLC控制系統的穩定,安全運行。一般要處理好數字地、模擬地、機殼地之間的關系,防止因接地不當而引起電源間的串擾。

3.4 逆變器干擾

船模電力系統使用24V直流電源,而部分用電設備必須使用220V交流電才能正常使用,所以必須使用逆變設備對電壓進行調整。但是逆變器在啟停過程中會引起系統電壓的畸變,影響控制系統的供電質量。此外逆變器含有復雜的斬波電路,當其正常工作時會產生很強的電磁輻射,影響其它設備的正常工作[5]。實踐中發現逆變器對模擬量變送器影響最大,有時甚至導致某些變送器不能正常工作。

4 抑制干擾的原理及措施

電磁干擾具有隨機性,分布廣等特點,一般來說形成電磁干擾的有三個條件：噪聲源、噪聲輻射與耦合、受擾設備[6]。為保證船模PLC控制系統在空間較小,電磁環境惡劣的環境中仍具有較強的抗干擾能力。必須對這三個方面采取相應的抑制措施,即抑制噪聲源,減弱甚至消除噪聲源和受擾設備之間的耦合與輻射效應,加強受擾設備抵抗電磁干擾的能力,具體措施如下：

4.1 硬件抗干擾

4.1.1 電源部分的抗干擾設計

當控制系統電源波動時易引起電壓畸變而產生諧波干擾,這將影響PLC,輸入輸出模塊及其它用電設備的穩定性。為了抑制干擾,供電系統最好采用隔離變壓器,使強電系統接地點和弱電系統接地點分開。各個用電設備用各自的隔離變壓器供電,并與主電路電源分開,這樣局部電源出現故障時不會影響主電源,從而提高了系統的可靠性。

此外系統電源應該有冗余設計,各路配電模件應該有獨立的過壓,過流保護,同時要嚴格防止強電竄入低壓電路。通過顯示儀表時刻監視電源系統是否正常,供電電壓和電流是否在規定的范圍內。定期檢查系統電源接地是否可靠,線路絕緣等級是否達標。通過采取這些措施,電源造成的干擾就可得到有效抑制。

4.1.2 輸入輸出信號的抗干擾設計

在船模硬件系統中,PLC連接了大量的輸入輸出信號線路。其中輸入信號線間的差模干擾可用濾波來減小,而其與大地間的共模干擾則可通過控制器的接地來抑制。當輸入信號有感性負載時,用硬件容錯技術防止其信號突變而產生感應電勢的影響。一般可在交流輸入信號兩端并聯電容和電阻,直流輸入信號兩端并接繼流二極管即可。

PLC的輸出信號通常為開關量,一般有繼電器,晶閘管,晶體管輸出三種形式,具體選型要根據負載要求來決定,若負載超過了PLC的輸出能力,應外接繼電器或接觸器才能正常運行。負載呈現感性時,輸出信號電平發生變化就可能會產生干擾,在實際操作中應采取措施以保護PLC的輸出觸點。直流負載可在線圈兩端并聯繼流二極管,而交流負載可在線圈兩端并聯阻容吸收電路。此外實際中還對輸入輸出信號進行了隔離,光電隔離電路即可以消除這些干擾的影響。

4.1.3 接地抗干擾設計

接地技術在消除干擾方面具有廣泛應用,良好的接地是保證PLC控制系統可靠、安全、穩定工作的重要條件。一般情況下應該處理好電源地,設備地,機殼地之間的關系。通常的地線有以下幾種類型：信號地線,這包括數字地,模擬地等。噪聲地線,包括繼電器,大功率設備的地線。機殼地線,專供控制柜或箱殼接地使用,該地線應該和交流電源的地線相接。

在現場布線中,應采用一點接地的方式,這樣可避免多點接地造成的各接地點電位不均所產生的干擾。此外為了抑制附加在電源及輸入輸出端子上的干擾,應給PLC提供獨立地線且應與動力設備的接地點分開。若不能滿足此要求,則也可與其它設備公共接地,但嚴禁與其它設備串聯接地。接地電阻應小于100Ω,接地線要粗且面積要大于2mm2,長度一般不大于20m。接地線應避開強電回路,若無法避開時,應垂直相交,縮短平行走線的長度。

4.1.4 系統布線抗干擾設計

由于船模PLC硬件系統繁雜,輸入輸出接口較多,布線復雜,各個線路之間存在互感和分布電容,故而傳送信號時難免會相互干擾。為了減少或防止這種干擾,交直流輸入輸出應分配獨立電纜。

信號傳輸設備的輸入輸出應使用屏蔽電纜,屏蔽電纜應在PLC控制器側一端接地,控制器的地線要與電源線或動力線分開。強電電纜與弱電電纜應分開布設,若只能放在同一橋架內,它們之間最好裝隔離板防止干擾。此外在安裝有逆變器或其它有較強輻射設備時,一定根據環境慎重考慮其安裝位置和布線,盡量減少因布線不當所造成的干擾。

4.1.5 屏蔽

船模上的模擬量,數字量變送器以及其它重要的傳輸線路都具有屏蔽層,一般情況下其傳輸線屏蔽層應該一端接地,這種方法對抑制空間雜散電磁場的干擾是極其有效的[7]。

但是如果兩端都有保護屏蔽接地,且其中一端已經連接信號地和大地,則此時屏蔽僅能削弱空間雜散電磁干擾。由供電電壓突變等原因引起的共模干擾仍然存,甚至可能會更加嚴重。因此應將整個電路及其傳輸線對大地懸空。這種屏蔽加懸空的方式被廣泛應用在變送器的信號傳輸上,實際抗干擾效果明顯,不僅抑制了空間雜散電磁場造成的差模干擾,還很大程度上削弱了共模干擾。

4.2 軟件抗干擾的方法

盡管以上硬件抗干擾措施可以消除該船模PLC控制系統大部分干擾信號,但造成干擾的原因復雜,有諸多的不確定性因素,故而很難確保PLC控制系統完全不受外界干擾。因此有必要在硬件抗干擾措施的基礎上,進一步采取軟件抗干擾加以補充。軟件抗干擾以其簡單可靠,便于修改,成本低等優點,在PLC控制系統中同樣獲得了廣泛的應用。本船模的PLC軟件系統中使用的抗干擾有以下幾種：

1)防止系統運行失常的軟件陷阱

當PLC軟件系統失控,軟件“跑飛”而進入非程序寄存器區段。只要在這些區段設置陷阱程序,就可以使程序進入初始狀態,進而使得控制系統恢復正常。

2)提高數據采集精度的數字濾波法

船模的模擬量變送器在采集信號時難免會帶進干擾,為了克服這些干擾對A/D轉換精度的影響,工程實踐中采用數字濾波技術。數字濾波是通過一定的軟件算法實現濾波功能,可以從連續采樣的數據中過濾干擾信號,而提取較為真實的數據。它具有靈活,可靠等特點[8]。一階數字濾波公式為：

其中,Q為數字濾波器時間常數;Xn為第n次采樣時的濾波器輸入;Yn為第n次采樣時的濾波器輸出。

3)防止狀態失常的自檢

在滿足系統實時性的前提下,可以設置自檢程序來監視程序運行狀態。自檢程序不斷正常循環運行,可以保證PLC控制系統中信號采集,信息傳輸,網絡通信以及運算的可靠性。

5 結語

本文從設計某型船模PLC控制系統過程中遇到的一些實際問題出發,根據系統硬件構成,研究了在惡劣電磁環境下PLC系統存在的干擾源,從硬件和軟件兩個方面有針對性的提出了一些抗干擾的措施。通過實踐證明,這些措施夠有效抑制外界干擾,提高船模PLC控制系統抗干擾能力,保證了該系統安全,穩定,可靠運行,達到了預期的設計目的。

[1]姚宏亮,姚光順.PLC應用及使用中應注意的問題[J].安徽電子信息職業技術學院學報.2006,23(5)：74～76

[2]姚廣平,陳健東.工業現場測控系統的電磁干擾分析與對策[J].微型機與應用.2009,27(19)：72～74

[3]韓剛,徐萬玉.工業電子控制裝置的抗干擾技術[M].北京：中國鐵道出版社,1984

[4]張繼紅.工業現場PLC控制系統的抗干擾設計[J].2006,24(16)：259～260

[5]張松春,趙秀芬,竺子芳,等.電子控制設備抗干擾技術及其應用[M].北京：機械工業出版社,1989

[6]毛楠,孫瑛.電子電路抗干擾實用技術[M].北京：國防工業出版社,1996

[7]張聰,張慧,何勁.電源監控系統中的干擾與抗干擾問題[J].船電技術,2004,24(3)：45～47

[8]楊科,蔡巍.工控軟件的抗干擾對策[J].石油機械,1999,27(10)：53～55