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PLC控制系统通信网络电磁兼容摘要随着现代工控技术的不断发展，可编程控制器(简称PLC)在现代工业设备的控制中，已经取代了继电器实现逻辑控制，但它的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。因其应用面广、功能强大、使用方便。已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，广泛应用于各种机械设备和生产过程自动控制系统及民用设施中。因此，PLC控制系统的可靠与否将直接影响到企业的安全生产和经济运行，而系统的抗干扰能力即是关系到整个系统是否可靠运行的关键。本文介绍了影响PLC运行的干扰类型及来源，并简要提出一些抗干扰措施。关键词PLC抗干扰、引言众所周知，电力网是当今各网络中拥有用户最多、最必不可少的网络。随着网络技术及多媒体技术的发展，利用现成的电力网来实现宽带接入及数据、语音、视频等多媒体信息传输成为当前的研究热点。近年来，宽带电力线通信（BPLC）技术的相关研究和应用发展非常迅速，现在已经进入初步应用阶段。宽带电力线通信利用已有的电力线作为通信信道，采用电力线数字扩频（SST）技术或正交频分多路复用（OFDM）技术实现数据传输1。但是由于电力线上同时传输的是强电，而且电网的稳定性比传统通信网差得多，使得电力线通信的电磁环境极为复杂。更为重要的是电力线通信会给频带内的其他无线电业务造成潜在的电磁干扰，这也给宽带电力线通信的普及与推广提出了更高的电磁兼容要求。电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）是一门新兴的综合性学科，它是指电气、电子设备或系统能够在同一个电磁环境下正常工作，相互之间不会构成不能承受的电磁干扰，以达到相互兼容、实现各自功能的状态2。电磁兼容的内容包括抗干扰和电磁辐射控制两方面。随着电力通信技术的迅猛发展和广泛应用，作为一种“最后一公里”接入技术的宽带电力线通信的电磁兼容问题显得越来越突出。特别是电力通信系统抗干扰技术、电磁辐射的测量与控制，以及规范标准等问题已经引起了世界范围内的关注，电磁兼容技术也成为实现宽带电力线通信的关键技术之一。一、PLC控制系统的安装和使用环境PLC是专为工业控制设计的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但是在PLC控制系统中，如果环境过于恶劣，或安装使用不当，会降低系统的可靠性。PLC使用环境温度通常在055范围内，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于85，以保证PLC有良好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，需将PLC封闭安装。此外，如果PLC安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，所以应采取相应的减振措施。笔者在使用的过程中，就曾遇到过因使用环境不当造成PLC不能正常工作且CPU被烧毁的现象，因此环境的正确选择对PLC的可靠运行亦相当重要。二、电磁干扰类型及其影响影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是干扰源。干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质来划分。按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，可分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入人、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高。有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，影响测控信号。造成元器件损坏，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合。感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。三、电磁干扰的主要来源(一)来自PLC系统内部的干扰主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂家对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。(二)来自PLC系统外部的干扰1、来自空间的辐射干扰。空间的辐射电磁场(EMI)，主要由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电，无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生，通常称为辐射干扰。其分布极为复杂。其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信网络的辐射，由通信线路的感应引人干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关。2、来自电源的干扰。因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，更换隔离性能好的PLC电源，才能解决问题。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。3、来自信号线引人的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起IO信号工作异常，大大降低测量精度，严重时将引起元器件损伤。4、来自接地系统混乱的干扰。PLC控制系统正确的接地，是为了抑制电磁信号干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。PIC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。抗干扰设计1、选择抗干扰性能好的设备在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性。尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。在选择国外进口产品要注意，我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高。在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准(GBT13926)合理选择。2、综合抗干扰设计主要考虑来自系统外部的几种抑制措施，内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰：对外引线进行隔离、滤波，特别是动力电缆应分层布置，以防通过外引线引人传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。五、主要抗干扰措施1、对电源干扰的抑制PLC系统电源必须要与整个供电系统的动力电源分开，一般在进入PLC系统之前加隔离变压器，并合理布置电源线，强电与弱电电缆要严格分开。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电电源以及和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源，并没受到足够的重视。线间干扰的抑制PLC控制系绕线路中有电源线、输入输出线、动力线和接地线，布线不恰当则会造成电磁感应和静电感应等干扰，因此必须按照特定要求布线，如尽可能的等间距，以及避免线路绕圈等。不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。2、硬件及软件抗干扰措施信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。3、正确而有效的接地也是抗干扰重要措施接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗干扰的重要措施之一。接地在消除干扰上起很大的作用。连接接地线时，应注意以下几点：(1)PLC控制系统单独接地。(2)PLC系统接地端子是抗干扰的中性端子，应与接地端子连接。其正确接地可以有效消除电源系统的共模干扰。(3)PLC系统的接地电阻应小于100，接地线至少用20mm2的专用接地线，以防止感应电的产生。(4)输入输出信号电缆的屏蔽线应与接地端于端连接，且接地良好。4、设备安装中的一些抗干扰措施(1)PLC控制柜应尽可能远离高压柜、大动力及高频设备。(2)PLC控制柜要远离继电器、接触器之类的电磁线圈和容易产生电弧的触点的地方。(3)整台PLC机要远离发热的电气设备或其它热源，并具有良好通风及相应的散热装置。(4)PLC程控器的外部要有可靠的防水系统，避免造成机器损坏。六、结束语 尽管PLC具有报强的抗干扰能力，但因其安装的环境不同，周围存在着各种各样的干扰，因此在系统设计和安装时，仍必须对环境作全面的分析，确定干扰的性质，采取相应的抗干扰措施。以保证系统长期稳定的工作。6、结语随着配电网的扩大和通信技术的发展，宽带电力线通信技术正处在高速发展过程中，如何利用现有的低压配电网实现宽带接入和高速数据传输引起了各国电力公司的高度关注。作为一种资源广泛的通信网络，电力网结构复杂，电力传输线没有屏蔽措施，容易受到干扰噪声的影响多而且BPLC系统的载波频率和短波无线电频段有重叠，有可能造成电磁骚扰，因此电磁兼容技术成为发展宽带电力线通信的重要技术之一。通过BPLC调制技术和电力网组网技术的不断完善，BPLC系统的电磁兼容问题正逐步得到改善。随着电磁兼容相关研究的展开以及相关标准的制定，BPLC技术的应用会有一个健康快速的发展前景。参考文献1梁明，梁恩明，宋晋冀等.高速电力线通信的关键技术J.电工技术杂志，2004，4：11-14.2王小虎.电力系统自动化设备的电磁兼容技术J.广西水利水电，2006，3：76-79.3Lin Yuju，Latchman A H，Lee Minkyu et a1.A Power Line Communication Network Infrastructure for the Smart HomeJ.IEEE Wireless Communications:2002，9（6）：104-111.4Liu Weilin，Widmer Hanspeter，Raffin Philippe.Broadband PLC AccessSystemsandfield Development in European Power Line Networks J.IEEE Communications Magazine.2003，41（5）114-118.5丁道齐.要正视和研究电力线通信技术发展中的关键问题J.电力系统通信，2003，4:1-12.