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项目案例 Case

提高PLC系统抗干扰和接地系统可靠性探讨

日期: 2013-11-29
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引言    
  随着国民经济的快速增长,国家智能电网计划建设更多高参数、大容量的燃煤火电机组,以满足不断增长的电能需求。高参数、大容量燃煤火电机组的辅助PLC控制系统的控制结构和控制范围发生了巨大的变化,因此,对控制系统的可靠性要求更为严格。
  PLC系统的抗干扰能力已越来越受到人们的重视。合理、可靠的系统接地是提高控制系统抗干扰能力的重要保证。为了保证PLC控制系统的监测控制精度和安全、可靠运行,必须从设计、设备的选型和安装、调试、生产维护各个环节对PLC控制系统的接地进行控制。本文就多个PLC控制系统现场实际应用的情况,探讨了如何通过完善PLC控制系统的接地来提高系统的抗干扰能力,从而实现系统的安全运行。
一、干扰的产生
  PLC控制系统应用现场的干扰源种类繁多,尤其是大型电厂更为复杂。干扰的来源主要包括以下几个部分。
  ①PLC控制系统内部
  PLC 控制系统内部干扰源主要有元器件的固有噪声、电源系统等。 
   ②PLC控制系统外部 
  PLC控制系统外部干扰源主要有闪电、雷击、电气设备的电磁场、电火花等。 
  ③PLC控制系统和周围其他系统的电位差等
  在PLC控制系统和周围其他系统的电位差等干扰中,有些干扰源有规律可循,可以通过一定的手段检测并加以控制;有些干扰源则随机出现,难以捕捉。但各种干扰源都是通过一定的途径对控制系统产生影响的,这些干扰途径主要是以“路”或“场”的形式出现。 
  1.1 “路”的干扰
   “路”的干扰是指干扰通过电路(主要是控制系统的过程通道或电源系统)进入PLC控制系统。A/D、D/A转换设备和各种输入装置都有可能成为各种干扰的通路。另外,过程通道和PC计算机之间的公共地线也会成为干扰通路。
   “路”的干扰分为串模干扰和共模干扰。
  串模干扰是指干扰信号叠加在输入信号上的一种干扰方式。这种干扰信号的特点是它与输入信号串联,存在于同一个回路中,并且全部施加在接收被测信号设备的输入端。干扰信号可能是信号源内部产生的,如图1(a)所示;也可能是由导线感应进来的,如图1(b)所示。
  共模干扰的形成原因主要是由于PLC控制系统的检测设备和受控设备分散在现场的各个位置,检测信号和控制信号必须通过很长的导线经程序通道与PLC控制系统连通,这样,在现场侧设备信号端的地线与PLC控制系统主机的地线之间就存在一定的电位差。由于这种干扰同时作用在信号的两个输入端上,因此,称之为共模干扰,其示意图如图2所示。
  1.2“场”的干扰
  “场”的干扰主要是存在于空间的各种电磁场使得处于这些“场”内的导体因电磁感应而产生电势和电荷的移动,从而形成干扰。“场”的干扰主要有导线之间的电场、电感藕合,还有大功率的高频用电设备、雷达、电台等形成的电磁场的辐射等。
  二、系统接地
  干扰主要是干扰源通过干扰途径作用于被干扰对象形成的。因此,为了抑制或消除干扰,就要从消除或抑制干扰源、切断干扰作用的途径、削弱干扰接受对象对干扰信号的敏感性等方面着手,并采取适当的措施。由于干扰的产生是很复杂的,必须根据实际情况加以综合分析和考虑。良好的系统接地是提高PLC控制系统抗干扰能力的主要手段之一。
  当接入PLC控制系统的信号、供电电源或PLC控制系统设备本身出现问题时,有效的接地系统能将过载电流导入大地,为PLC提供安全保护屏障,消除电子噪声干扰,并为整个控制系统提供公共信号参考点(即参考零电位)。
  2.1 PLC控制系统接地的分类
  在一般情况下,PLC控制系统需要提供保护和工作两种接地方式。工作接地又可分为逻辑接地和屏蔽接地等。对于有防爆安全要求的现场,如果装有本安防爆设备,则需要设置本安接地。 
  ①保护接地
  保护接地
  是为了防止设备外壳的静电荷积累,避免造成人身伤害而采取的保护措施。PLC控制系统所有的操作员机柜、现场控制站机柜、打印机、端子柜等均应设置保护接地。保护接地应接至现场电气专业接地网,接地电阻应小于4Ω。 
  ②逻辑接地逻辑接地也叫机器逻辑地、主机电源地,是PLC控制系统内部的逻辑电平负端公共地,也是+5V的电源输出地。
  ③屏蔽接地
  屏蔽接地也叫模拟地,它可以把现场信号传输时所受到的干扰屏蔽掉,以提高信号精度。PLC控制系统中信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地;且电缆屏蔽层必须一端接地,防止形成闭合回路干扰。电缆屏蔽层通常是用铜丝网或镀铝屏蔽层制成并接入公共接地极的。恺装电缆的金属恺不能作为屏蔽保护接地。 
  ④本安接地
  本安接地应独立设置接地系统,接地电阻≤4Ω 。本安接地的接地系统与现场电气地网或其他仪表系统接地网的距离应大于5m。 
  2.2 PLC控制系统的接地方式
  PLC控制系统的接地方式可分为以下几种。 
  ①串联式单点接地
  串联式单点接地是指将多个低压电气设备的接地端子与设备就近处的同一根接地排相连接,再用导线将接地排与现场的接地装置相连接。这种接地方式的优点在于节省人力、物力;而缺点在于当公用的接地线出现断路时,如果接地系统中有一台设备漏电,就会引起其他设备的外壳上均出现电压,对人员安全造成威胁。 
  ②并联式单点接地
  并联式单点接地是指从各台设备的接地端子处引出一根接地线,然后将这若干条线同时接到接地装置上。这种接地方式的优点在于当接地系统中的其中一台设备接地线出现断路时,不会造成其他设备外壳出现电压,可保障人身安全;而这种接地方式的缺点在于如果是电子设备或其他对高频干扰高度敏感的电气设备,来自其他设备的高频干扰(如变频器、中频炉等晶闸管变流器件)将会从共地点串入,造成设备工作不正常。 
  ③多分支单点接地
  多分支单点接地是指将每个设备的接地端子单独与接地装置相连接。多分支单点接地与并联式单点接地的区别在于设备具有单独的接地体且相邻设备在电气接地回路上的距离是比较远的(如超过50m) ,这就有效地避免了设备之间的电磁互干扰。
  目前,使用的PLC控制系统多采用第二种接地方式。对于来自变频器等高频干扰,则通过在PLC控制系统的电源前端加装一个单相电源滤波器等方法解决干扰问题。
  三、PLC控制系统设备的接地装置
  PLC控制系统通常包括PLC设备的I/O机柜、UPS柜、继电器柜、操作台、打印台、服务器柜、仪表柜、手操盘台和安全栅柜等设备。在这些设备中,操作台、打印台、服务器柜、继电器柜、UPS柜及配电柜均应设有保护接地螺钉,以提供所装设备的电源接地;PLC设备的I/O机柜、仪表柜和手操盘台应同时设置屏蔽接地汇流排和保护接地螺钉,分别作为信号接地和电源接地;对安全栅柜,除设置屏蔽接地汇流排和保护接地螺钉外,还应设置本安接地汇流排。
  根据有关技术规定要求,PC计算机或PLC系统信号电缆的屏蔽层不能浮空,其接地方式应符合下列规定:当信号源浮空时,屏蔽层应在PC计算机侧接地;当信号源接地时,屏蔽层应在信号源侧接地;当放大器浮空时,屏蔽层的一端与屏蔽罩相连,另一端宜接共模地。当屏蔽电缆途经接线盒分断或合并时,应在接线盒内将其两端电缆的屏蔽层连接。
  PLC控制系统信号电缆的选择与敷设应严格按照有关规定执行。屏蔽电缆的屏蔽层应按以上要求进行接地。为了提高PLC控制系统的抗干扰能力,PLC控制系统开关量输入/输出信号宜选用阻燃型对绞铜网屏蔽电缆。
  根据多个工程现场实践的经验,提出以下PLC控制系统接地的注意事项。
  ①操作员站、工程师站、网络交换机、服务器主机、系统显示器等应采用外壳接地或直接将电源地线连接至电气接地网。 
  ②PLC控制系统I/O机柜的电源接地与UPS的电源接地必须连接至同一个地,以保证等电位。 
  ③PLC控制系统模拟量I/O模块的信号负端,即直流24V电源的负端连接至逻辑接地排上,逻辑接地排与屏蔽接地相连接,最终接入总接地排。这样可以有效消除共模电压的干扰。 
  ④现场控制站机柜本体与底座间夹有绝缘橡皮,屏蔽地汇流排与底座间绝缘,现场控制站必须按规定作好接地处理,即分别接至现场控制站接地汇流排上。 
  ⑤检测接地系统的电阻,以保证接地电阻能满足PLC控制系统的技术要求。
  四、结束语
  良好的接地系统是PLC控制系统安全稳定运行的重要环节,很多PLC控制系统运行中出现的故障往往是由于系统接地不好引起的。本文重点探讨了PLC系统接地类型、方式及接地装置控制系统干扰产生的原因以及在硬件、接地系统、信号线敷设等方面消除干扰的措施。在实际工作中,消除干扰的技术措施还有很多,也可以在软件设计中采取一定的抗干扰措施,如指令复执、故障诊断、自恢复功能等,这些措施均可进一步提高控制系统的安全性和可靠性。
 

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