提高PLC系統抗干擾和接地系統可靠性探討

　　摘要：PLC控制系統的抗*力是關系到整個控制系統安全運行的關鍵因素之一，而接地系統是PLC安裝和應用過程中的重要環節。針對PLC控制系統中存在的干擾問題，重點探討了系統接地類型、方式及接地裝置。實際結果表明，采取良好的接地措施，對提高PLC控制系統的抗*力。
　　
　　引言
　　
　　隨著國民經濟的快速增長，國家智能電網計劃建設更多高參數、大容量的燃煤火電機組，以滿足不斷增長的電能需求。高參數、大容量燃煤火電機組的輔助PLC控制系統的控制結構和控制范圍發生了巨大的變化，因此，對控制系統的可靠性要求更為嚴格。
　　
　　PLC系統的抗*力已越來越受到人們的重視。合理、可靠的系統接地是提高控制系統抗*力的重要保證。為了保證PLC控制系統的監測控制精度和安全、可靠運行，必須從設計、設備的選型和安裝、調試、生產維護各個環節對PLC控制系統的接地進行控制。本文就多個PLC控制系統現場實際應用的情況，探討了如何通過完善PLC控制系統的接地來提高系統的抗*力，從而實現系統的安全運行。
　　
　　一、干擾的產生
　　
　　PLC控制系統應用現場的干擾源種類繁多，尤其是大型電廠更為復雜。干擾的來源主要包括以下幾個部分。
　　
　?、貾LC控制系統內部
　　
　　PLC控制系統內部干擾源主要有元器件的固有噪聲、電源系統等。
　　
　　②PLC控制系統外部
　　
　　PLC控制系統外部干擾源主要有閃電、雷擊、電氣設備的電磁場、電火花等。
　　
　?、跴LC控制系統和周圍其他系統的電位差等
　　
　　在PLC控制系統和周圍其他系統的電位差等干擾中，有些干擾源有規律可循，可以通過一定的手段檢測并加以控制；有些干擾源則隨機出現，難以捕捉。但各種干擾源都是通過一定的途徑對控制系統產生影響的，這些干擾途徑主要是以“路”或“場”的形式出現。
　　
　　1.1“路”的干擾
　　
　　“路”的干擾是指干擾通過電路（主要是控制系統的過程通道或電源系統）進入PLC控制系統。A/D、D/A轉換設備和各種輸入裝置都有可能成為各種干擾的通路。另外，過程通道和PC計算機之間的公共地線也會成為干擾通路。
　　
　　“路”的干擾分為串模干擾和共模干擾。
　　
　　串模干擾是指干擾信號疊加在輸入信號上的一種干擾方式。這種干擾信號的特點是它與輸入信號串聯，存在于同一個回路中，并且全部施加在接收被測信號設備的輸入端。干擾信號可能是信號源內部產生的，如圖1（a）所示；也可能是由導線感應進來的，如圖1（b）所示。　　
　　共模干擾的形成原因主要是由于PLC控制系統的檢測設備和受控設備分散在現場的各個位置，檢測信號和控制信號必須通過很長的導線經程序通道與PLC控制系統連通，這樣，在現場側設備信號端的地線與PLC控制系統主機的地線之間就存在一定的電位差。由于這種干擾同時作用在信號的兩個輸入端上，因此，稱之為共模干擾，其示意圖如圖2所示。　　
　　1.2“場”的干擾
　　
　　“場”的干擾主要是存在于空間的各種電磁場使得處于這些“場”內的導體因電磁感應而產生電勢和電荷的移動，從而形成干擾。“場”的干擾主要有導線之間的電場、電感藕合，還有大功率的高頻用電設備、雷達、電臺等形成的電磁場的輻射等。
　　
　　二、系統接地
　　
　　干擾主要是干擾源通過干擾途徑作用于被干擾對象形成的。因此，為了抑制或消除干擾，就要從消除或抑制干擾源、切斷干擾作用的途徑、削弱干擾接受對象對干擾信號的敏感性等方面著手，并采取適當的措施。由于干擾的產生是很復雜的，必須根據實際情況加以綜合分析和考慮。良好的系統接地是提高PLC控制系統抗*力的主要手段之一。
　　
　　當接入PLC控制系統的信號、供電電源或PLC控制系統設備本身出現問題時，有效的接地系統能將過載電流導入大地，為PLC提供安全保護屏障，消除電子噪聲干擾，并為整個控制系統提供公共信號參考點（即參考零電位）。
　　
　　2.1PLC控制系統接地的分類
　　
　　在一般情況下，PLC控制系統需要提供保護和工作兩種接地方式。工作接地又可分為邏輯接地和屏蔽接地等。對于有防爆安全要求的現場，如果裝有本安防爆設備，則需要設置本安接地。
　　
　　①保護接地
　　
　　保護接地
　　
　　是為了防止設備外殼的靜電荷積累，避免造成人身傷害而采取的保護措施。PLC控制系統所有的操作員機柜、現場控制站機柜、打印機、端子柜等均應設置保護接地。保護接地應接至現場電氣專業接地網，接地電阻應小于4Ω。
　　
　　②邏輯接地邏輯接地也叫機器邏輯地、主機電源地，是PLC控制系統內部的邏輯電平負端公共地，也是＋5V的電源輸出地。
　　
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　　屏蔽接地也叫模擬地，它可以把現場信號傳輸時所受到的干擾屏蔽掉，以提高信號精度。PLC控制系統中信號電纜的屏蔽層應做屏蔽接地；且電纜屏蔽層必須一端接地，防止形成閉合回路干擾。電纜屏蔽層通常是用銅絲網或鍍鋁屏蔽層制成并接入公共接地極的。愷裝電纜的金屬愷不能作為屏蔽保護接地。
　　
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　　本安接地應獨立設置接地系統，接地電阻≤4Ω。本安接地的接地系統與現場電氣地網或其他儀表系統接地網的距離應大于5m。
　　
　　2.2PLC控制系統的接地方式
　　
　　PLC控制系統的接地方式可分為以下幾種。
　　
　?、俅撌絾吸c接地
　　
　　串聯式單點接地是指將多個低壓電氣設備的接地端子與設備就近處的同一根接地排相連接，再用導線將接地排與現場的接地裝置相連接。這種接地方式的優點在于節省人力、物力；而缺點在于當公用的接地線出現斷路時，如果接地系統中有一臺設備漏電，就會引起其他設備的外殼上均出現電壓，對人員安全造成威脅。
　　
　?、诓⒙撌絾吸c接地
　　
　　并聯式單點接地是指從各臺設備的接地端子處引出一根接地線，然后將這若干條線同時接到接地裝置上。這種接地方式的優點在于當接地系統中的其中一臺設備接地線出現斷路時，不會造成其他設備外殼出現電壓，可保障人身安全；而這種接地方式的缺點在于如果是電子設備或其他對高頻干擾高度敏感的電氣設備，來自其他設備的高頻干擾（如變頻器、中頻爐等晶閘管變流器件）將會從共地點串入，造成設備工作不正常。
　　
　　③多分支單點接地
　　
　　多分支單點接地是指將每個設備的接地端子單獨與接地裝置相連接。多分支單點接地與并聯式單點接地的區別在于設備具有單獨的接地體且相鄰設備在電氣接地回路上的距離是比較遠的（如超過50m），這就有效地避免了設備之間的電磁互干擾。
　　
　　目前，使用的PLC控制系統多采用第二種接地方式。對于來自變頻器等高頻干擾，則通過在PLC控制系統的電源前端加裝一個單相電源濾波器等方法解決干擾問題。
　　
　　三、PLC控制系統設備的接地裝置
　　
　　PLC控制系統通常包括PLC設備的I/O機柜、UPS柜、繼電器柜、操作臺、打印臺、服務器柜、儀表柜、手操盤臺和安全柵柜等設備。在這些設備中，操作臺、打印臺、服務器柜、繼電器柜、UPS柜及配電柜均應設有保護接地螺釘，以提供所裝設備的電源接地；PLC設備的I/O機柜、儀表柜和手操盤臺應同時設置屏蔽接地匯流排和保護接地螺釘，分別作為信號接地和電源接地；對安全柵柜，除設置屏蔽接地匯流排和保護接地螺釘外，還應設置本安接地匯流排。
　　
　　根據有關技術規定要求，PC計算機或PLC系統信號電纜的屏蔽層不能浮空，其接地方式應符合下列規定：當信號源浮空時，屏蔽層應在PC計算機側接地；當信號源接地時，屏蔽層應在信號源側接地；當放大器浮空時，屏蔽層的一端與屏蔽罩相連，另一端宜接共模地。當屏蔽電纜途經接線盒分斷或合并時，應在接線盒內將其兩端電纜的屏蔽層連接。
　　
　　PLC控制系統信號電纜的選擇與敷設應嚴格按照有關規定執行。屏蔽電纜的屏蔽層應按以上要求進行接地。為了提高PLC控制系統的抗*力，PLC控制系統開關量輸入／輸出信號宜選用阻燃型對絞銅網屏蔽電纜。
　　
　　根據多個工程現場實踐的經驗，提出以下PLC控制系統接地的注意事項。
　　
　?、俨僮鲉T站、工程師站、網絡交換機、服務器主機、系統顯示器等應采用外殼接地或直接將電源地線連接至電氣接地網。
　　
　?、赑LC控制系統I/O機柜的電源接地與UPS的電源接地必須連接至同一個地，以保證等電位。
　　
　　③PLC控制系統模擬量I/O模塊的信號負端，即直流24V電源的負端連接至邏輯接地排上，邏輯接地排與屏蔽接地相連接，zui終接入總接地排。這樣可以有效消除共模電壓的干擾。
　　
　?、墁F場控制站機柜本體與底座間夾有絕緣橡皮，屏蔽地匯流排與底座間絕緣，現場控制站必須按規定作好接地處理，即分別接至現場控制站接地匯流排上。
　　
　　⑤檢測接地系統的電阻，以保證接地電阻能滿足PLC控制系統的技術要求。
　　
　　四、結束語
　　
　　良好的接地系統是PLC控制系統安全穩定運行的重要環節，很多PLC控制系統運行中出現的故障往往是由于系統接地不好引起的。本文重點探討了PLC系統接地類型、方式及接地裝置控制系統干擾產生的原因以及在硬件、接地系統、信號線敷設等方面消除干擾的措施。在實際工作中，消除干擾的技術措施還有很多，也可以在軟件設計中采取一定的抗干擾措施，如指令復執、故障診斷、自恢復功能等，這些措施均可進一步提高控制系統的安全性和可靠性。