PLC電氣控制柜結構設計中的電磁兼容性研究

胡月丹 盧志航

(中海網絡科技股份有限公司,上海 200135)

PLC電氣控制柜結構設計中的電磁兼容性研究

胡月丹 盧志航

(中海網絡科技股份有限公司,上海 200135)

本文對PLC(可編程邏輯控制器)系統電氣控制柜的電磁兼容性與電磁干擾進行了分析,針對電磁兼容性與電磁干擾并結合項目具體要求提出了關于PLC電氣控制柜的結構設計方案,解決了實際應用中的PLC控制柜的結構設計問題。

PLC 電磁兼容性 電磁干擾

PLC(Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器)系統及相應的數控電子、電氣產品隨著技術的不斷進步，PLC在工業領域中的應用日漸廣泛，因而對PLC電氣控制柜的結構設計也提出了更高的要求。首先設備是在較為復雜的工況電磁環境中運行，因而要求設備在實現設計的工作性能時，不因電磁干擾而影響各項性能指標；其次所涉及的設備不能干擾臨近電子設備。這項要求為電子產品提出了一項重要指標——電磁兼容性。隨著PLC控制柜內產品復雜度及產品數量的提高，在機箱的結構設計階段必須充分地考慮到電磁兼容性問題，對于促進機箱結構設計的質量是很有必要的。本文通過對PLC控制柜內的電磁兼容性和電磁干擾的分析研究，并結合幾種實際項目對控制柜的元器件種類、數量以及控制柜尺寸限制條件等的具體要求，提出了幾種具有針對性的控制柜結構設計方案。這些方案在滿足具體電氣設計要求的同時也充分考慮了電磁干擾和電磁兼容性，實現了PLC控制柜的結構設計既能保證抗干擾的同時，又能保證電氣原理以及施工和維護的便利性，同時也需要兼顧節約能源和成本等因素。

圖1 普通設計的PLC控制柜內部布置平面圖(正面)

圖2 條架式設計的PLC控制柜內部布置平面圖(正面)

圖3 抽屜式設計的PLC控制柜內部布置平面圖

1 電氣控制柜電磁干擾分析

1.1 電磁兼容性與電磁干擾

電磁兼容性的英文縮寫為EMC(electromagnetic compatibility)，它是指：設備在共同的電磁環境中能在不降低任何性能指標的前提下正常工作。PLC電氣控制系統各功能單元同在一個機柜之內，那么就要求這些功能單元在獨自運行過程中相互適應。因而在PLC電氣控制系統結構設計中首先要控制各功能單元的電磁發射，其次也要保證各功能單元不受外界電磁輻射的干擾。

圖4 雙層安裝板設計的PLC控制柜內部布置平面圖

表1

1.2 自生干擾

自生干擾是指PLC設備內部各功能單元之間通過電磁輻射及電路連接而產生的干擾， 這些干擾表現為：PLC(Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器)系統各功能組件及相應的數控電子、電氣部件間的電磁干擾；印刷電路板上的線間電容和級間漏電造成的干擾；PLC設備各功能單元內部產生的高頻輻射，影響元器件本身或者其它元器件的穩定性造成的干擾。

1.3 入侵干擾

入侵干擾是指PLC電氣控制柜系統以外的因素對PLC電氣控制系統產生的干擾， 主要包括以下幾種情況：外部高電壓設備通過共用的電源及公共接地線對PLC電氣控制柜系統產生的干擾；外部高頻高壓設備在空間產生的強磁場，通過輻射對PLC電氣控制柜系統產生的干擾；由于設備散熱而引起的PLC電氣控制柜系統的功能單元性能改變致使整機功能難以實現或性能指標下降；各功能單元的供電電路通過電源變壓器、開關電源及逆變器等產生的干擾。

1.4 電磁干擾的形成

(1)沿電路的連接線(電源線、接地線或信號線)形成的電磁干擾。這種干擾可稱為連線干擾或直接干擾。連線干擾或直接干擾，在電路設計之初就應加以考慮，因為它是不可避免的。一旦電路設計定型這種干擾就存在了。(2)間接干擾是指空間周圍輻射源通過空間傳播形成的電磁干擾。干擾源的輻射功率的分貝數如果大于PLC電氣控制柜系統中具有增益功能電路的增益分貝數，那么這種電磁干擾即形成了。此外電子設備機箱還存在著結構位移場、電磁場、溫度場之間相互影響、相互耦合。這些也應在電磁兼容性中加以考慮。

2 電氣控制柜的電磁屏蔽

電磁屏蔽顯然是使PLC電氣控制柜設備免受干擾的最有效的方法。干擾源、耦合途徑和感受器( 敏感裝置) 構成了電磁干擾的三要素。電磁兼容性設計內容包括： 限制干擾源的電磁發射、控制電磁干擾的傳播及增強敏感設備的抗干擾能力。因而電磁屏蔽是電磁兼容性設計的極其重要的環節。

2.1 電磁屏蔽的基本原理

根據電磁學的基本原理凡導電和導磁性能良好材料構成的封閉殼體具有電磁屏蔽功能。利用該原理來控制電磁干擾，抑制電磁感應和輻射的傳播。目前我們生產的PLC電氣控制柜設備都有金屬支撐架和金屬外殼體，它一方面具有機械結構功能，另一方面還兼有電磁屏蔽的功能。這種電磁屏蔽是符合電磁兼容性設計原則的。這種電磁屏蔽可防止PLC電氣控制柜設備的電磁輻射造成對外電磁環境的污染。同時可避免PLC電氣控制柜設備在外界電磁干擾下，無法正常工作和性能指標的下降。因此， 機箱對PLC電氣控制柜電磁兼容性能的影響是十分大的。有效地電磁屏蔽可以提高抗干擾能力，實現電磁兼容。為實現設備的正常功能通常采取的屏蔽措施有：靜電屏蔽，主要用來屏蔽靜電場和恒定磁場；以及電磁屏蔽，主要用于屏蔽交變電場、交變磁場以及交變電磁場。

2.2 電磁屏蔽的基本要求

通過上述分析可以給出一些電磁屏蔽設計的基本要求：(1)在屏蔽材料的選擇上一定選用導電性和導磁性良好的材料。如果兩種性能不能兼顧，可采用電場屏蔽和磁場屏蔽分別屏蔽的雙層屏蔽的結構來解決。因為導電性好的材料可有效地屏蔽電場波，而導磁性好的材料可有效地屏蔽磁場波。(2)由于屏蔽磁場要求屏蔽體一定遠離磁場源，所以要求屏蔽體和被屏蔽的電路間留有相應的空間。(3)對于1kHz以下的頻率很低的磁場，應采用高導磁性的材料進行屏蔽，常用的材料是含鎳80%左右的坡莫合金。

表2

表3

表4

3 電磁屏蔽在電氣控制柜結構設計中的應用

PLC電氣控制柜在結構設計中應充分考慮電磁屏蔽，以保證控制柜內的各個設備元件正常穩定工作。PLC電氣控制柜的干擾主要由兩個部分組成：一是來自外界的干擾，屏蔽外界干擾最主要的途徑是通過柜體來解決的；二是來自內部元器件之間的干擾，屏蔽這種干擾主要是通過元器件之間的相對隔離來實現，在實際應用中主要有兩種隔離方式，隔離方式的不同取決于元器件的安裝方式、數量以及柜體尺寸大小。

3.1 一般形式的PLC控制柜的結構設計

在PLC電氣控制柜在結構設計中一般主要采取以下措施：(1)控制柜體采用不銹鋼(Q235)材料，柜體采用框架式結構；框架式結構便于柜內元器件的安裝同時提高了機柜整體的強度和穩定性，而不銹鋼材料一方面可以保證柜內的電子原件不受外界的電磁干擾影響正常工作，另一方面也增加了柜體的結構強度。(2)一般的PLC控制柜采取的是一塊底板式安裝，控制柜內設備垂直于安裝底板安裝，安裝底板固定于柜體框架上；因此，為保證控制柜里的核心元件——PLC模塊，不受其它設備的干擾，需要將PLC模塊集中安裝于電氣控制柜的上部，與其它電氣設備保持一定的電氣距離，并且周圍布置走線槽，從而減少了其它元器件對它的干擾影響，保證PLC的穩定運行。(3)如果控制柜內還有其它強電設備(如變壓器、變頻器等)等，這些設備在啟動和運行時，都將產生不小的電磁干擾，因此需要將這些設備安裝于控制柜底部盡量遠離PLC模塊。同時也需要將這些強電設備與弱電設備(信號轉換器、DC電源等)分別安裝在控制柜內不同區域，各器件周圍必須保證一定的接線距離以及線槽布置，保持接線距離和布置接線槽在這里也起到了一定的抗干擾作用，空間允許的情況下，應該盡量將各類器件分域區布置。圖1為一般情況下設計的PLC控制柜的布置圖。

控制柜尺寸2100×800×600(高×寬×深，單位mm)，控制柜中使用1塊安裝底板，安裝底板上劃分了7個區域(區域間由線槽隔開)，各個區域的元器件如表1。

綜上所述，由于考慮到PLC模塊與其它設備間的干擾問題，在控制柜結構設計中，需要保證PLC模塊與其它設備之間的安裝距離，因此控制柜的空間則不可避免的需要更大。

3.2 特殊形式的PLC控制柜的結構設計

在實際應用中，往往會有特殊的項目要求，如隧道內的區域控制器項目的箱體大小受到隧道洞的限制，高架項目的箱體大小受到安裝法蘭大小的限制，掛壁式的箱體大小受到立柱大小以及抱箍位置的限制，都會對控制柜的大小尺寸有比較嚴格的要求。需要在狹小的控制柜空間內安放下PLC模塊、開關電源、光端機、變壓器、BBC廣播功放等設備并保證其正常工作，這就對控制柜的結構設計提出了新的要求，一整塊安裝底板的安裝方式和單獨依靠增加設備間距來降低干擾的方式對這些項目的控制柜就不適用了。因此，在這些項目的控制柜的設計中需要采用一些特殊的結構設計方案，使得控制柜根據項目需要更加應地制宜，已達到項目預期的目的。

3.2.1 條架式的PLC控制柜的結構設計

對于強電設備較多而控制柜尺寸較大的PLC控制柜，可以采取以下方式：將柜內各個設備分別(或分類)安裝在控制柜內不同區域并使用不同安裝底板固定，安裝底板使用覆鋁鋅板，厚度1.5～2.5mm(根據設備元件的重量選擇不同的厚度)。采用獨立的安裝板可以有效的減少設備之間的電磁干擾，保證了設備的正常工作。這種結構設計還可以有效的提高施工和現場維護的效率：需要維護的時候只需拆下相應的條架即可，不需要整個底板都卸下，節省了人力物力；而條架安裝件上下各翻兩道邊，在大小滿足器件的同時強度依然可靠。圖2為條架式設計的PLC控制柜的布置圖。

控制柜尺寸2100×1600×600(高×寬×深，單位mm)，控制柜中使用8塊安裝條架，每塊安裝條架上的元器件如表2。

3.2.2 抽屜式的PLC控制柜的結構設計

對于強電設備較少(或沒有)而控制柜尺寸較小的PLC控制柜，可以采取抽屜式安裝的設備安裝方式。各個抽屜之間相互有金屬隔板(Q235或覆鋁鋅板材)隔離，厚度1.5～2.0mm左右，PLC模塊與其它設備分別安裝于不同的“抽屜”中。由于不同的區域相對獨立，這樣就有效的隔離了PLC模塊以及其它設備之間電磁干擾，另外通過金屬隔板來隔離干擾效果明顯優于線槽等PVC材料以及拉大器件間距等的阻隔效果，無論從硬度強度還是節約空間和材料方面來說都有明顯的優勢。采用這種安裝方式也便于日常的維修和檢查工作：在檢修某一區域設備時不會影響到其它區域的設備。該形式的安裝方式目前在車道控制器的項目已得到了廣泛的應用并收到了很好的效果。圖3為抽屜式設計的PLC控制柜的布置圖。

控制柜尺寸800×500×350(高×寬×深，單位mm)，控制柜中設計了3個安裝區域(抽屜)，每個安裝區域里的元器件如表3。

3.2.3 雙層式的PLC控制柜的結構設計

對于設備較多而控制柜尺寸較小的PLC控制柜，可以采用另一種新穎的布局方式：雙層安裝板的布局形式。不同于抽屜式的上下結構安裝，雙層結構是在除了安裝底板以外，采用金屬立柱和鉸鏈或合葉等布置一塊與底板平行的安裝板(隔板采用覆鋁鋅板，厚度1.5～2.0mm)，將需要屏蔽的元器件裝在這塊安裝板上。由于有一層安裝板的隔離，起到了屏蔽的目的。由于采用鉸鏈或合葉的立柱的形式，不會影響現場維護人員進行維修和車間人員進行安裝接線，隨時可以搖動的安裝板，給施工帶來極大的便利。采用這種安裝方式可以有效的利用控制柜內有限的空間，既能做到在有限的控制柜內擺放大量的元器件，又可以較好的解決設備之間的電磁干擾問題。圖4為雙層式設計的PLC控制柜的布置圖。

控制柜尺寸930×600×320(高×寬×深，單位mm)，控制柜內“A”、“B”2個安裝底板在第一層，“C”、“D”、“E”3個安裝底板分別通過鉸鏈和合葉安裝在第二層，每個安裝區域里的元器件如表4。

4 結語

實際項目的具體要求復雜多樣，對PLC控制柜的結構設計也提出不同要求，通過對電磁干擾和電磁兼容性的分析研究，可以在結構設計中針對不同的要求實現保證電氣原理和抗干擾兼顧的同時更好的做到提供施工和維護的便利性以及節約能源和成本等因素。

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The paper analysis the electromagnetic compatibility and electromagnetic interference of the electrical control cabinet for PLC (programmable logic controller) system, In order to solve the electromagnetic compatibility and electromagnetic interference and puts forward the scheme of structure design of PLC electrical control cabinet with project specific requirements, Success in solving the problem of structure design of the practical application of the PLC control cabinet.

PLC; EMC;EMI

胡月丹(1986—),女,江西南昌人,本科,助理工程師,主要從事電氣自動化方面研究;

盧志航(1977—),男,吉林長春人,本科,高級工程師,主要從事電氣自動化方面研究。