PLC控制系统接地抗干扰技术

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net PLC控制系统接地抗干扰技术 王 　晓 (闽西职业技术学院 　福建 龙岩 　364021) 摘 　要 : PLC 控制系统广泛应用于社会生产各个行业 ,其安全可靠程度直接影响生产过程 ,因此讨论其抗干扰技术就显 得极其重要。在分析几种不同的接地抗干扰技术的性能基础上 ,针对 PLC 控制系统存在着各种干扰 ,如地环电流干扰、公共 在线阻抗耦合干扰和导线间电、磁场耦合干扰等 ,充分利用接地技术 ,结合正确的屏蔽 ,在理论和实践上提出了问题的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和措施 ,实现抑制和消除 PLC 控制系统中的大部分干扰问题 ,保证系统的安全运行 ,因此 ,近年来接地抗干扰技术越来 越受到关注和重视。 关键词 : PLC ;地环电流 ;接地 ;屏蔽 ;抗干扰技术 中图分类号 : TP91914 　　　　　文献标识码 :B 　　　　　文章编号 :1004 373X(2006) 17 149 03 PLC Control System Earth Anti jamming Technology WAN G Xiao (West Fujian Province Professional Technology Institute ,Longyan ,364021 ,China) Abstract : The PLC control system is widely applied in social product each profession ,it s security reliable degree direct in2 fluence production process. Therefore discusses it s anti jamming technology to appear ext remely important . First theoretically analyzes several kinds of different earths anti jamming technology performance ,then each kind of disturbance in view of the PLC control system ,like link elect ric current disturbance ,between public grounding impedance coupling disturbance and wire elect ricity , magnetic field coupling disturbance and so on. Using the good earth measure , unifies the correct shield can sup2 press and eliminate in the PLC control system of majority disturbances question , thus guarantees the PLC control system′s safe operation. Therefore , earthed the anti jamming technology get s more and more attention. Keywords : PLC ;link elect ric current ;earthing ;shield ;anti jamming technology 收稿日期 :2006 03 16 　　PLC 出厂时虽已经考虑到了各种干扰问题 ,其本身的 可靠性、抗干扰能力均已达到很高的水平 ,但在工业控制 现场 ,设备频繁的启动、停止 ,动力线与控制线路又密布在 一起 ,存在着严重的电场和磁场干扰现象 ;工业控制系统 中往往又有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中 ,导 线之间的相互耦合也是形成通道干扰的主要原因之一 ;另 外 ,PLC 控制系统中若存在多个接地点 ,不同接地点之间 的地电位可能有差异而形成“地环电流”,产生严重的共模 干扰现象。实际上 ,接地抗干扰技术就是解决以“地环电 流”为中心的一系列技术问题。下面首先分析地环电流的 形成和不同接地方式的抗干扰性能 ,从而进一步来研究 PLC 控制系统的接地抗干扰技术。 1 　地环电流的接地抗干扰性能 1. 1 　地环电流的形成、影响 图 1 所示为地环电流的形成及对电路影响的等效示 意图。其中 U · s 为放大器输入信号 ,U · cm 为导线间电容性、 电感性耦合所产生的共模干扰信号 ,导线间的相互耦合形 成的干扰 ,表现形式主要为电容性耦合、电感性耦合和电 磁场辐射 ,在工业控制中 ,第 3 种干扰对控制系统的影响 是次要的 ,而前两种耦合造成的干扰通常是主要的 ,对电 路的影响主要为共模干扰。由于信号源和放大器分别接 地 ,众所周知 ,地球是一个静电容量很大的导体 ,其电位非 常稳定 ,若把一个导体与大地能紧密相连 ,那么该导体的 电位也就恒定了 ,通常称该电位为零电位 ,是电位的参考 点 ,但是在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 上 ,要做到紧密相连是不可能的 ,总存在一 定的接地电阻 ,因此当有电流经该导体入地时 ,其电位就 有波动 ,不同接地点的电位也就可能有差异 ,如图 1 中的 A 、B 两点 ,若 A 、B 距离较远 ,则可能有较大的电位差 U · o , 若用一根导线将 A 、B 两点连接起来 ,则与导线 1 和 2 就分 别形成了闭合回路 ,导线中就可能会有电流 i1 和 i2 流动 , 这就是“地环电流”(电流总要在电路内流动 , 而不能凭空 消失) 形成的原因。当发生异常状态如雷击 ,地环电流则会 很大。这样相当于在信号源地线和放大器地线之间有一个 干扰源 U · o ,对放大器来说 , 他也是一个共模干扰信号 , 同 时 U · cm 和U · o 的一部分会转换成差模电压 ,直接对电路造成 941 《现代电子技术》2006 年第 17 期总第 232 期 　þ 电子技术应用 ü © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 干扰。 图 1 　地环电流的形成及影响 1. 2 　地环电流的接地抑制技术 采用一点公共接地 ,可以减少和抑制“地环电流”形成 的干扰。一点公共接地有两种接地方式 (见图 2) :第一种 是串联式 ,见图 2 (a) 。电路 1 ,2 ,3 各有一个电流 i1 , i2 , i3 流向接地点。但地线总存在一定电阻 (不可能为零电阻) , A , B , C之间的电位差不再为零 ,这样在各个电路间就会产 生相互的干扰 , 尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电 路。在实际中 ,若确实要采取串联一点接地方式 ,必须尽量 减小公共地线的电阻 ,使其能达到 PLC控制系统抗干扰的 容限要求 ,同时还要考虑串联的次序 ,最怕干扰的电路接 A 点 ,而最不怕干扰的电路则接在 C点。第二种是并联式 见图 2 (b) 。各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和 地电流有关了 ,互相之间就不会形成耦合干扰了 ,有效克 服公共地线阻抗的耦合干扰 ,因此在 PLC 控制系统中应 尽量采用并联式一点公共接地方式接地。但要注意 :地线 尽量粗一些 ,使各个部件之间的地电位差尽可能地减小 , 当各个部件之间进行通信时 ,地环电流的干扰将大大减 小。在采用 PLC 作为上位机通过 RS 232 (485) 进行通信 控制时 ,最容易犯的错误就是两点接地。 图 2 　一点公共接地方式 2 　电场、磁场耦合干扰的接地抗干扰技术 输入输出通道的导线间耦合形成电场耦合和磁场耦 合两种干扰 ,两者形成的机理不同 ,需要采取不同的屏蔽 与接地技术来消除和抑制。 2. 1 　电场耦合干扰的形成与抑制 电场耦合干扰是通过两根导线之间的分布电容产生 的。当两导线形成电场耦合干扰时 ,如图 1 中导线 1 在导 线 2 上产生的对地干扰电压为 : U · 21 = jω[ C12 / ( C12 + C22 ) ] jω+ 1/ R( C12 + C22 ) U · 1 (1) 　　一般 C22 ν C12 ,因此可化简为 : U · 21 = jωC12 1/ R + jω( C22 + C12 ) U · 1 = jωC12 1/ R + jωC22 U · 1 (2) 其中 : U · 1 为干扰源导线 1 的电压 ;ω为角频率 ; R 为被干扰 导线 2 对地负载电阻 ; C22 为被干扰导线 2 对地总电容 ; C12 为导线 1 和导线 2 之间的分布电容 ,通常 C22 ν C12 。 从式 (2) 中可以看出 ,在干扰源的角频率ω不变时 ,欲 降低导线 2 上受到的干扰电压 U · 21 ,应当减小 U · 1 , C12 , R 及 增大 C22 。这些措施中 ,最常用的是减小 C12 ,即采用“远离 技术”:将弱信号线远离信号线敷设 , 尤其是远离动力线 路 ,保持这些导线间的距离 > 100 mm 的安全距离 (工程 上的“远离”概念 ,通常取干扰导线直径的 40 倍就认为足 够了) 。此外 ,避免平行走线或尽量缩短平行走线长度也可 减小 C12 。另一个有效方法是屏蔽 ,将要屏蔽的导线放置在 空心的导体或者金属网内 ,即可不受电场的影响。 2. 2 　磁场耦合干扰的形成与抑制 在工业控制现场 ,大电机、电抗器、磁力开关和大电流 载流等都是很强的磁场干扰源。抑制磁场耦合干扰的办法 是将干扰源屏蔽起来 ,但在实际工程中很难做到 ,通常采用 一些被动的抑制技术。分析表明 ,当回路 1 对回路 2 造成 磁场耦合干扰时 ,其在回路 2 上形成的串联干扰电压为 : U · 21 = jωBAcosθ (3) 式中ω为干扰源导线1的角频率 , B是干扰源回路1形成的 磁场链接至回路 2 处的磁通密度 ; A 为回路 2 感受磁场感 应的闭合面积 ,θ是B 和A 两个矢量的夹角。由式 (3) 可见 , 在干扰源的角频率ω不变时 ,欲降低干扰电压 U · 21 ,首先应 减小 B。以直线电流磁场为例 , B 与回路 1 流过的电流成正 比 ,而与两导线间的距离成反比。因此 ,消除干扰的有效办 法仍然是采用“远离技术”。此外 ,避免平行走线或缩短平 行走线长度也可减小磁场耦合干扰。 2 . 3 　屏蔽线、双绞线的接地抗干扰技术 2 . 3 . 1 　屏蔽线的接地方式与作用 在控制系统中 ,为了抑制导线之间的电场、磁场耦合 干扰 ,常采用屏蔽传输信号线 ,其抗干扰能力取决于屏蔽 层接地与否及接地方式。屏蔽层有 3 种接地方式 (见图 3) 。 图 3 　屏蔽线屏蔽层的接地方式 图 3 (a) 为屏蔽层单端接地 ,假设信号电流 i1 从芯线 流入屏蔽线 ,流过负载电阻 RL 之后 ,再通过屏蔽层返回信 号源。由于 i1 和 i2 大小相等、方向相反 ,他们产生的磁场干 扰相互抵消。因此 ,该接线方式对磁场干扰具有很好的抑 制作用 ,同时他对磁场耦合干扰的抑制也有很好的效果 ; 051 电 子 技 术 王 　晓 : PL C 控制系统接地抗干扰技术 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 3 (b) 为屏蔽层两端接地 ,屏蔽层上流过的电流是信号 电流 i2 与地环电流 i0 的迭加 ,不能完全抵消信号电流所产 生的磁场干扰 ,因此 , 他抑制磁场耦合干扰的能力比 图 3 (a) 的差。图 3 (a) , ( b) 对电场耦合干扰都有屏蔽作 用 ;图 3 (c) 为屏蔽层是悬浮不接地的 ,他只能屏蔽电场耦 合干扰 ,而无抑制磁场耦合干扰的能力。 若设图 3 (c) 的衰减能力为 0 dB ,设信号源内阻 Rs = 100 Ω,负载电阻 RL = 1 MΩ,信号源频率 f = 50 k Hz(高 于该电缆屏蔽体截频 5 倍) 时 ,经过实验测定表明 :图 3 (a) 抑制磁场干扰能力很强 ,为 80 dB ;图 3 ( b) 为 27 dB。因 此 ,相比之下图 3 (a) 的抗干扰能力最好。其接地点的选择 可以如图 3 (a) 所示 ,采取左端单端接地 ,也可以采取右端 负载电阻 RL 侧接地方式。 2. 3. 2 　双绞线的接地方式与作用 利用双绞线作信号输入线可以很好地抑制磁场干扰 , 但双绞线的绞扭方向及节距要一致 (如每 2154 cm 扭 6 个 均匀绞扭) 。如果给双绞线加上屏蔽层 ,并采用适当的接 地方式 ,不仅能抑制磁场干扰 ,还能抑制电场耦合干扰。 双绞线的使用方法较多 ,其中抗干扰能力较强的有 4 种 (见图 4) 。 图 4 　双绞线的接地方式 图 4 (a) , (b) 实际上是把公式 (3) 中的 A 对应的回路 分隔成许多小回路 ,若双绞线的绞扭一致的话 ,那么这些 回路的面积相等且方向相反 ,因此其磁场干扰就可以相互 抵消。但双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制则毫无能 力。当双绞线加上屏蔽层后 ,一个物美价廉的传输线实现 了。根据实验测定 ,各种接地方式的衰减抑制磁场干扰的 能力如下 : 图 4 (a) 采用单端接地方式 ,未加屏蔽层 ,只对磁场干 扰具有抑制能力 ,在一定实验条件下 ,测得其衰减能力可 达 55 dB ,可见双绞线效果显著 ;图 4 ( b) 由于两端接地 ,地 线阻抗与信号线阻抗不对称 ,地环电流造成了双绞线电流 不平衡 ,因此降低了双绞线的抗磁场干扰的能力 ,只有 13 dB衰减能力。图 4 (c) 使用屏蔽双绞线 ,其屏蔽层一端 接地 ,另一端悬空 ,屏蔽层上没有返回信号电流 ,他的屏蔽 层只有抗电场干扰能力 ,而无抑制磁场耦合干扰能力 ,衰 减能力与图 4 (a) 一样 ;图 4 (d) 的屏蔽层单端接地 ,另一端 与负载零端相连 ,具有图 4 (a) 的效果 ,但屏蔽层上的电流 被双绞线中的一根分流 ,对磁场干扰具有很好的抑制作 用 ,而且还能抑制电场耦合干扰 ,衰减能力比图 4 (a) 强 ,为 77 dB ;图 4 (e) 的屏蔽层双端接地 ,具有抑制磁场耦合干扰 能力 ,加上双绞线本身的作用 ,具有 63 dB 衰减能力 ; 图 4 (f) 屏蔽层和双绞线两端都接地 , 衰减效果只比 图 4 (b) 稍好些 ,为 28 dB。 双绞线最好的应用为作平衡式传输线路。因为其两根 线的阻抗一样 ,自身产生的磁场干扰和外部磁场干扰都可 抵消。而且平衡式传输还具有很强的抗共模干扰能力 ,在 很多 PLC与计算机组成的通信网络中用作传输线 ,如 RS 485 (422)通信接口单元的连接就采用了可屏蔽双绞线。 3 　PLC控制系统与电网的接地方式 PLC 控制系统中 ,常用的接地方式有共地、浮地及机 壳共地和电路浮地 3 种 ,见图 5。 图 5 　控制系统与电网的接地方式 图 5 (a) 为共地方式 , PLC 控制系统中电路的接地点、 机壳与电网地线 N 和接地线 B 联在一起 ,整个系统以大 地为电位参考点 ,这种接地方式在大地电位比较稳定的场 所 ,系统的电位也比较稳定 ,接地线路比较简单 ,且因机壳 接地 ,操作也较安全。若在大地电位变化较大的场所 ,系 统的电位也随之变化 ,电路将受到共模干扰 ,且容易转变 成串模干扰 ,此时应尽量减少接地电阻 ,也可以采用浮地 方式。 图 5 (b) 是浮地方式 , PLC 控制系统中电路的接地点 与机壳相联浮空不接地 ,一般在机柜与地之间用绝缘胶垫 隔开 ,交流进线也要加强绝缘 ,该方式可避免大地电位变 化、地回路电磁感应造成的干扰 ,但因系统浮地 ,机壳容易 积累静电 ,操作不太安全。 图 5 (c) 是电网和机壳共地、电路浮地的方式 ,是上面 两种方式的折衷。因机壳的接地点与电网接地点连在一 起 ,因此操作比较安全 ,电路的接地点是独立的 ,避免受大 地电位和接地回路的干扰。通常将电路和插件框架用绝 缘支撑与外部机架、机壳隔开 ,保护电路部件与机壳的良 好绝缘。电路的接地点接在插件框架背面专门设置的敷 铜板上 ,自成接地系统。 4 　PLC控制系统与动力设备的接地方式 控制系统与动力设备的接地方式一般有 3 种 (见图 6) 。其中图6 (a) 为单独接地 ,这种接地方式最好。若 (下转第 154 页) 　 151 《现代电子技术》2006 年第 17 期总第 232 期 　þ 电子技术应用 ü © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　DA TAto FP GA (XAU TODA T1) ; / / 调用子程序完成 FP GA 配置 } EP2BCL = 0x80 ; / / 向 EP2 端点缓冲区写入任意值表明 EP2 端点的数据 SYNCDELA Y; / / 已经发送完成 EP2BCL = 0x80 ; SYNCDELA Y; } 配置子程序主要功能是将每 8 位的配置数据放在 FP GA 器件的数据端 ,在 DCL K的上升沿将配置数据串行 发送到 FP GA 内。 void DA TAto FP GA (unsigned char d) / / 配置子程序 { unsigned char i ; for ( i = 0 ; i < 8 ; i + + ) 　{ 　DCL K = 0 ; / / 产生 DCL K上升沿 　DA TA0 = (0x01 & (d µ i) ) ; / / 发送的配置数据 　DCL K = 1 ; 　} } 5 　结 　语 以上关于 FP GA 的配置方法是从一个实际工程项目 中截取而来的 ,他的主要特点在于 ,配置文件存放在计算 机硬盘中 ,存取灵活 ,可以根据不同的需要来加载不同的 配置文件 ,省去了不断“烧写”E2 PROM 的麻烦 ,调试、修 改也比较容易 ,可方便地应用在工程领域。 参 　考 　文 　献 [1 ] 温淑鸿 ,崔慧娟. AL TERA FP GA 在微处理器系统中的在 应用配置[J ] . 电子技术应用 ,2005 ,31 (1) :67 69. [2 ] 王玉花 ,郭书军 ,葛纫秋. FP GA 器件的在线配置方法[J ] . 单 片机与嵌入式系统应用 ,2004 (3) :8 10. [3 ] 王成儒 ,李英伟. USB 210 原理与开发 [ M ] . 北京 :国防工业 出版社 ,2004. [4 ] 徐晓刚. Visual C + + 610 入门与提高[ M ] . 北京 : 　华大学出 版社 ,1999. 作者简介 　袁 　卫 　男 ,1973 年出生 ,陕西渭南人 ,西安电子科技大学技术物理学院硕士 ,渭南师范学院信息与教育科学系讲师。 主要从事嵌入式系统开发应用。 　　(上接第 151 页) 做不到每个设备 ,可使用公共接地方式 ,如图 6 ( b) ,但不 允许使用的共通接地方式 ,如图 6 (c) ,特别是应避免与电 动机、变压器、变频调速器、制冷压缩机等动力设备共通 接地。 图 6 　PLC 控制系统与动力设备的接地方式 5 　结 　语 这种接地抗干扰技术在漳州 龙岩高速公路隧道 PLC 群网联控中得到了很好的运用 ,保证了 PLC 控制系统的 正常运行 ,多年来一直很稳定 ,使隧道的交通秩序得到大 大改善。实践证明这些接地抗干扰技术有利于解决实际 的 PLC 控制系统的干扰问题。 参 　考 　文 　献 [1 ] 吕英豪 ,刘飞飞. 基于 PLC 的油氧助熔控制系统的抗干扰设 计[J ] . 南方冶金学院学报 2000 ,21 (4) :263 267. [2 ] 熊幸明. PLC 控制系统接地抗干扰技术的研究 [J ] . 低压电 器 ,2004 (6) :27 30. [3 ] 曹敏玲. PLC 现场干扰问题浅析 [ DB/ OL ] . http :/ / www. gotok. com/ / bbs/ dispbbs. asp ? / boardid = 5 &id = 2485. 2006. [4 ] 万建华. 大型环境试验设备中 PLC 控制系统的供电与接地 [J ] . 电子质量 2003 (12) :34 35 ,37. [5 ] 皮壮行 ,宫振鸣 ,李雪花 . 可编程控制器的系统设计与应用 实例[ M ] . 北京 :机械工业出版社 ,2001. [6 ] 张文娜 ,叶湘滨. 传感器接口电路的抗干扰技术及其应用 [J ] . 计算机自动测量与控制 ,2001 ,9 (3) :60 62. 2006 中国互联网大会即将开幕 　　2006 年 9 月 21～23 日 ,中国互联网领域最具权威 性、规模最大、规格最高的行业盛会———2006 中国互 联网大会即将于北京国际会议中心隆重登场。在信息 产业部的领导下 ,由中国互联网协会主办 ,科技部、文 化部、中国科学院、中国工程院等相关部门参与指导的 2006 中国互联网大会展览会将与 2006 中国互联网大 会同期举行。 451 电 子 技 术 袁 　卫等 :基于 U SB 210 的 FP GA 的在线串行配置