惡劣電磁環(huán)境下PLC控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究＊

(海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033)

1 引言

隨著世界現(xiàn)代艦船科技的迅速發(fā)展,大型艦船在商業(yè)和軍事上發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,但直接研究大型艦船往往要耗費(fèi)大量資源,故而先研究一定縮尺比的船模更具有實(shí)際的意義。

目前PLC控制系統(tǒng)作為一種特殊形式的微型控制系統(tǒng),在信號(hào)采集,信息傳送,網(wǎng)絡(luò)通信,實(shí)時(shí)控制以及抗干擾等方面都具有優(yōu)越的性能[1]。并以其通用性好,編程簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定,便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于模型艦船的控制。但往往由于船模空間狹小,設(shè)備繁多,強(qiáng)電和弱電線路交叉布設(shè)等原因,造成船模上惡劣而復(fù)雜的電磁環(huán)境。在這種環(huán)境下存在諸多對(duì)PLC控制系統(tǒng)不利的干擾因素,這些干擾不但會(huì)直接影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)和正常運(yùn)行,而且可能會(huì)導(dǎo)致PLC運(yùn)行出錯(cuò),程序“跑飛”,嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的可靠性,穩(wěn)定性及安全性。

本文結(jié)合工程實(shí)踐,根據(jù)某型船模的相關(guān)特點(diǎn)研究了控制系統(tǒng)的干擾來(lái)源及其抑制方法。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,確實(shí)解決了一些實(shí)際的干擾問題,提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力,也增強(qiáng)了該船模的安全性能和穩(wěn)定性能。

2 某型船模機(jī)電系統(tǒng)分析

由圖1可以看出,在該船模的硬件系統(tǒng)構(gòu)成中存在數(shù)字和模擬量傳感器,PLC,驅(qū)動(dòng)器以及逆變器等大量電子設(shè)備,它們由許多強(qiáng)電線路和弱電線路所構(gòu)成。此外該系統(tǒng)電力均由24V恒壓源電池組提供,當(dāng)電機(jī)、逆變器等大功率設(shè)備在啟停時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染,使得系統(tǒng)電壓大幅度漲落、浪涌從而導(dǎo)致電網(wǎng)上出現(xiàn)尖峰脈沖形成強(qiáng)烈電磁輻射干擾。這些干擾不單對(duì)系統(tǒng)有直接影響,也會(huì)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(duì)整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的性能構(gòu)成了極大的威脅,故而有必要對(duì)其進(jìn)行研究并加以抑制。

圖1 某型船模硬件系統(tǒng)框圖

3 控制系統(tǒng)干擾來(lái)源分析

在工業(yè)應(yīng)用中,設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的電磁干擾源的數(shù)量和強(qiáng)度取決于設(shè)備組成系統(tǒng)的復(fù)雜程度及用電設(shè)備的數(shù)量,種類,功率等因素,凡是有電流快速變化(或者有突變)的設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,感應(yīng)電壓e=-Ldi/dt,式中i為用電設(shè)備中的電流,L為電流回路等效電感,感應(yīng)電壓由電流變化而產(chǎn)生,這個(gè)感應(yīng)電壓即為干擾信號(hào),它以電場(chǎng)和磁場(chǎng)的形式向空間輻射或沿傳輸導(dǎo)線傳導(dǎo)進(jìn)入電子電路,使電路中的正常信號(hào)被疊加而產(chǎn)生干擾,由此引起了PLC控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定[2]。結(jié)合實(shí)際情況,該船模硬件系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾信號(hào)的形式有：繼電器和開關(guān)量的動(dòng)作,逆變?cè)O(shè)備的運(yùn)行及電機(jī)的啟停等等。此外該船模上使用的電源導(dǎo)線數(shù)量多,傳輸功率大,導(dǎo)線載流時(shí)也會(huì)形成電磁輻射,這種輻射易于對(duì)模擬量變送器造成干擾。本文依據(jù)這些干擾的形式對(duì)船模干擾來(lái)源做了相關(guān)分析,具體如下：

3.1 系統(tǒng)電源干擾

由于24V恒壓源電池組要對(duì)整個(gè)船模提供電力,因此當(dāng)開關(guān)量動(dòng)作,大功率設(shè)備起停以及逆變器的運(yùn)行都有可能對(duì)電網(wǎng)形成浪涌沖擊,進(jìn)而產(chǎn)生諧波干擾,由此引起系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定。

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),使用差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單路脈沖信號(hào)的電路在逆變器啟停或繼電器頻繁動(dòng)作時(shí),尖峰脈沖常常會(huì)通過(guò)電源串入轉(zhuǎn)換電路造成電子元件的損壞。

3.2 信號(hào)線干擾

船模硬件系統(tǒng)中,PLC連接了各類輸入輸出的信號(hào)線路,這些線路除了傳輸有效信號(hào)外,也會(huì)帶入一些外部干擾信號(hào)。這些干擾主要有兩種方式：一是通過(guò)傳感器供電電源串入的電網(wǎng)對(duì)其形成干擾;二是信號(hào)感應(yīng)空間電磁輻射而形成的干擾,這種干擾往往是很嚴(yán)重的[3]。由信號(hào)線引入的干擾可能會(huì)使PLC運(yùn)行異常,測(cè)量精度降低,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起設(shè)備故障。

3.3 接地干擾

PLC的接地是提高控制系統(tǒng)電磁兼容性的有效手段之一。接地不當(dāng)或者錯(cuò)誤的接地會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào),這會(huì)對(duì)使PLC系統(tǒng)無(wú)法正常工作甚至導(dǎo)致嚴(yán)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(tǒng)的穩(wěn)定,安全運(yùn)行。一般要處理好數(shù)字地、模擬地、機(jī)殼地之間的關(guān)系,防止因接地不當(dāng)而引起電源間的串?dāng)_。

3.4 逆變器干擾

船模電力系統(tǒng)使用24V直流電源,而部分用電設(shè)備必須使用220V交流電才能正常使用,所以必須使用逆變?cè)O(shè)備對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整。但是逆變器在啟停過(guò)程中會(huì)引起系統(tǒng)電壓的畸變,影響控制系統(tǒng)的供電質(zhì)量。此外逆變器含有復(fù)雜的斬波電路,當(dāng)其正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射,影響其它設(shè)備的正常工作[5]。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)逆變器對(duì)模擬量變送器影響最大,有時(shí)甚至導(dǎo)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(jī)性,分布廣等特點(diǎn),一般來(lái)說(shuō)形成電磁干擾的有三個(gè)條件：噪聲源、噪聲輻射與耦合、受擾設(shè)備[6]。為保證船模PLC控制系統(tǒng)在空間較小,電磁環(huán)境惡劣的環(huán)境中仍具有較強(qiáng)的抗干擾能力。必須對(duì)這三個(gè)方面采取相應(yīng)的抑制措施,即抑制噪聲源,減弱甚至消除噪聲源和受擾設(shè)備之間的耦合與輻射效應(yīng),加強(qiáng)受擾設(shè)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(shè)計(jì)

當(dāng)控制系統(tǒng)電源波動(dòng)時(shí)易引起電壓畸變而產(chǎn)生諧波干擾,這將影響PLC,輸入輸出模塊及其它用電設(shè)備的穩(wěn)定性。為了抑制干擾,供電系統(tǒng)最好采用隔離變壓器,使強(qiáng)電系統(tǒng)接地點(diǎn)和弱電系統(tǒng)接地點(diǎn)分開。各個(gè)用電設(shè)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(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響主電源,從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

此外系統(tǒng)電源應(yīng)該有冗余設(shè)計(jì),各路配電模件應(yīng)該有獨(dú)立的過(guò)壓,過(guò)流保護(hù),同時(shí)要嚴(yán)格防止強(qiáng)電竄入低壓電路。通過(guò)顯示儀表時(shí)刻監(jiān)視電源系統(tǒng)是否正常,供電電壓和電流是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。定期檢查系統(tǒng)電源接地是否可靠,線路絕緣等級(jí)是否達(dá)標(biāo)。通過(guò)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(hào)的抗干擾設(shè)計(jì)

在船模硬件系統(tǒng)中,PLC連接了大量的輸入輸出信號(hào)線路。其中輸入信號(hào)線間的差模干擾可用濾波來(lái)減小,而其與大地間的共模干擾則可通過(guò)控制器的接地來(lái)抑制。當(dāng)輸入信號(hào)有感性負(fù)載時(shí),用硬件容錯(cuò)技術(shù)防止其信號(hào)突變而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的影響。一般可在交流輸入信號(hào)兩端并聯(lián)電容和電阻,直流輸入信號(hào)兩端并接繼流二極管即可。

PLC的輸出信號(hào)通常為開關(guān)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(jù)負(fù)載要求來(lái)決定,若負(fù)載超過(guò)了PLC的輸出能力,應(yīng)外接繼電器或接觸器才能正常運(yùn)行。負(fù)載呈現(xiàn)感性時(shí),輸出信號(hào)電平發(fā)生變化就可能會(huì)產(chǎn)生干擾,在實(shí)際操作中應(yīng)采取措施以保護(hù)PLC的輸出觸點(diǎn)。直流負(fù)載可在線圈兩端并聯(lián)繼流二極管,而交流負(fù)載可在線圈兩端并聯(lián)阻容吸收電路。此外實(shí)際中還對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)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(shè)計(jì)

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

在現(xiàn)場(chǎng)布線中,應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式,這樣可避免多點(diǎn)接地造成的各接地點(diǎn)電位不均所產(chǎn)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(yīng)給PLC提供獨(dú)立地線且應(yīng)與動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)分開。若不能滿足此要求,則也可與其它設(shè)備公共接地,但嚴(yán)禁與其它設(shè)備串聯(lián)接地。接地電阻應(yīng)小于100Ω,接地線要粗且面積要大于2mm2,長(zhǎng)度一般不大于20m。接地線應(yīng)避開強(qiáng)電回路,若無(wú)法避開時(shí),應(yīng)垂直相交,縮短平行走線的長(zhǎng)度。

4.1.4 系統(tǒng)布線抗干擾設(shè)計(jì)

由于船模PLC硬件系統(tǒng)繁雜,輸入輸出接口較多,布線復(fù)雜,各個(gè)線路之間存在互感和分布電容,故而傳送信號(hào)時(shí)難免會(huì)相互干擾。為了減少或防止這種干擾,交直流輸入輸出應(yīng)分配獨(dú)立電纜。

信號(hào)傳輸設(shè)備的輸入輸出應(yīng)使用屏蔽電纜,屏蔽電纜應(yīng)在PLC控制器側(cè)一端接地,控制器的地線要與電源線或動(dòng)力線分開。強(qiáng)電電纜與弱電電纜應(yīng)分開布設(shè),若只能放在同一橋架內(nèi),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(qiáng)輻射設(shè)備時(shí),一定根據(jù)環(huán)境慎重考慮其安裝位置和布線,盡量減少因布線不當(dāng)所造成的干擾。

4.1.5 屏蔽

船模上的模擬量,數(shù)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(yīng)該一端接地,這種方法對(duì)抑制空間雜散電磁場(chǎng)的干擾是極其有效的[7]。

但是如果兩端都有保護(hù)屏蔽接地,且其中一端已經(jīng)連接信號(hào)地和大地,則此時(shí)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(huì)更加嚴(yán)重。因此應(yīng)將整個(gè)電路及其傳輸線對(duì)大地懸空。這種屏蔽加懸空的方式被廣泛應(yīng)用在變送器的信號(hào)傳輸上,實(shí)際抗干擾效果明顯,不僅抑制了空間雜散電磁場(chǎng)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(tǒng)大部分干擾信號(hào),但造成干擾的原因復(fù)雜,有諸多的不確定性因素,故而很難確保PLC控制系統(tǒng)完全不受外界干擾。因此有必要在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采取軟件抗干擾加以補(bǔ)充。軟件抗干擾以其簡(jiǎn)單可靠,便于修改,成本低等優(yōu)點(diǎn),在PLC控制系統(tǒng)中同樣獲得了廣泛的應(yīng)用。本船模的PLC軟件系統(tǒng)中使用的抗干擾有以下幾種：

1)防止系統(tǒng)運(yùn)行失常的軟件陷阱

當(dāng)PLC軟件系統(tǒng)失控,軟件“跑飛”而進(jìn)入非程序寄存器區(qū)段。只要在這些區(qū)段設(shè)置陷阱程序,就可以使程序進(jìn)入初始狀態(tài),進(jìn)而使得控制系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2)提高數(shù)據(jù)采集精度的數(shù)字濾波法

船模的模擬量變送器在采集信號(hào)時(shí)難免會(huì)帶進(jìn)干擾,為了克服這些干擾對(duì)A/D轉(zhuǎn)換精度的影響,工程實(shí)踐中采用數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波是通過(guò)一定的軟件算法實(shí)現(xiàn)濾波功能,可以從連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)中過(guò)濾干擾信號(hào),而提取較為真實(shí)的數(shù)據(jù)。它具有靈活,可靠等特點(diǎn)[8]。一階數(shù)字濾波公式為：

其中,Q為數(shù)字濾波器時(shí)間常數(shù);Xn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸入;Yn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸出。

3)防止?fàn)顟B(tài)失常的自檢

在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的前提下,可以設(shè)置自檢程序來(lái)監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)。自檢程序不斷正常循環(huán)運(yùn)行,可以保證PLC控制系統(tǒng)中信號(hào)采集,信息傳輸,網(wǎng)絡(luò)通信以及運(yùn)算的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從設(shè)計(jì)某型船模PLC控制系統(tǒng)過(guò)程中遇到的一些實(shí)際問題出發(fā),根據(jù)系統(tǒng)硬件構(gòu)成,研究了在惡劣電磁環(huán)境下PLC系統(tǒng)存在的干擾源,從硬件和軟件兩個(gè)方面有針對(duì)性的提出了一些抗干擾的措施。通過(guò)實(shí)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(tǒng)抗干擾能力,保證了該系統(tǒng)安全,穩(wěn)定,可靠運(yùn)行,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

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