控制系统回路(主要指模拟量输入和输出回路)常见干扰源有哪些?怎么预防和处理?原创贴有更多几率获得MP奖项!
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以变频调速器的控制回路简介干扰和预防:
(1) 静电耦合干扰
静电耦合干扰是指控制电缆与周围电气回路的静电容耦合,在电缆中产生的电势。可加大与干扰源电缆的距离,使距离为导体直径的40倍以上,并在两电缆间设置屏蔽导体且接地,以防干扰。
(2) 静电感应干扰
静电感应干扰是指周围电气回路产生的磁通变化在电缆中感应出的电势。可将控制电缆与主回路电缆或其他动力电缆分离铺设,将控制导体绞合,铺设路线取比较短,以预防器干扰。
(3) 电波干扰
电波干扰是指控制电缆成为天线,由外来电波在电缆中产生的电势。抗干扰措施同(1)、(2)。
(4) 电磁干扰
电磁干扰是指周围电气回路产生的磁场变化在控制回路电缆中感应出的电势。抗干扰措施同(1)、(2)。
(5) 接触不良造成的干扰
接触不良干扰是指变频器控制电缆的电接点及继电器触点接触不良,电阻发生变化在电缆中产生的干扰。对其可采用并联触点、镀金触点或选用密闭式继电器,对电缆连接点应定期做拧紧加固处理,以防干扰。
(6) 电源线传导干扰
电源线传导干扰是指各种电气设备从同一电源系统获得供电时,由其他设备在电源系统直接产生的电势。变频器控制电源可采用外系统供电,在输入侧装滤波器及绝缘变压器,并且屏蔽接地,以防干扰。
(7) 接地干扰
接地干扰时可采用其集中接地或1点接地,使用专设的接地端子,并且减少接地电阻。
干扰源有很多:
现场电网波动,不洁净;
变频器产生射频大;
动力线产生的磁效应。
信号电缆没有屏蔽层,或系统接地不好,变送器抗电磁辐射性能不好,控制系统没有采用独立的供电系统,周围有大型电机等。
变频的干扰是很大的:主要是动力电缆和变频电缆与信号线走的太近;或者变频电缆没有用屏蔽电缆; 或者信号线屏蔽不好,信号线接地不好,都可造成干扰。
所以在处理上,我们主要从走线上下了一些功夫。信号线和电源线要严格的分开,留有一定的距离,防止干扰。另外所有的模拟量信号电缆均采用屏蔽电缆。最大限度的减小干扰对线路的影响。
还要有效接地:工业自动化仪表工程验收规范
第7.2.5条 信号回路接地与屏蔽接地可共用一个单独的接地极。同一信号回路或同一线路的屏蔽层,只能有一个接地点。接地电阻值应符合设计规定。
第7.2.6条 信号回路的接地点应在显示仪表侧,当采用接地型热电偶和检测部分已接地的仪表时,不应再在显示仪表侧接地。
第7.2.7条 屏蔽电缆(线)屏蔽层的接地应符合本规范第7.2.6条的规定;同一线路的屏蔽层应具有可靠的电气连续性。
第7.2.8条 当有防干扰要求时,多芯电缆中的备用芯线应在一点接地。屏蔽电缆的备用芯线与电缆屏蔽层,应在同一侧接地。
这个干扰主要横向干扰,其主要是信号在线缆传输中受到所经场所的电磁干扰和静电干扰。特别是周围大型机泵、强电线缆产生的干扰。因为受到周围环境的不确定性影响,其干扰源也是不确定的,因此对待这种干扰最好的办法就是进行屏蔽。
现在的屏蔽措施一般都是多重的,首先是线缆穿线管和槽盒桥架起到屏蔽作用,这个屏蔽体的接地公用电器设备的安全接地。再者就是线缆本身的屏蔽层,这个屏蔽层现在一般都是在控制端进行单点接地。还有就是把信号电缆和动力电缆分开铺设,就是在避免不开的也要设计挡板进行隔离,在通过动力电缆时避免同向走向应该交叉。在信号电缆铺设时尽量原理大型的机泵和能够产生强电磁干扰的设备。
此外对于进入控制系统的信号进行处理,把进入信号内的干扰消除也是一个很好的办法。如,安装滤波器,安装隔离端子,把电源的负端接地等等措施。
在设计安装时把电器配电柜与仪表控制柜分开,尽量做到在不同的房间里,对于电器和仪表间的信号传输设计隔离端子,此外对于静电产生的干扰也要进行接地处理。
所以偶的观点就是对于干扰采用最简单的方法就是屏蔽和接地,对于信号干扰源较复杂的情况还要对信号进行处理和隔离。
一、串模干扰(又称横向干扰或正态干扰)
所谓串模干扰(差模干扰)是指叠加在被测信号上的干扰噪声。干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号。串模干扰和被测信号在回路的地位是相同的,串联于信号源回路中,总是以两者之和作为输入信号。串模干扰也称为常态干扰。
串模干扰的抑制
1、用有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号引线
2、可减少电磁感应
3、采用各种滤波器
4、采用双积分式A/D转换器
二、共模干扰(也称纵向干扰或共态干扰)
由不同的“地”而引起,是指电路两端共有的干扰电压。这种干扰可能是直流电压,也可以是交流电压,其幅值可达几伏甚至更高,取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。共模干扰也称为共态干扰。
共模干扰的抑制
1、双端输入作为A/D转换器前面的前置放大器
2、变压器隔离,利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来,也就是把模拟地与数字地断开,以使共模干扰电压不成回路,从而抑制了共模干扰
变压器隔离:利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来,也就是把模拟地与数字地断开,以使共模干扰电压不成回路,从而抑制了共模干扰;另外,隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源,切断两部分的地线的联系;
3、光电隔离:利用光电耦合器使两端的地线隔开,同时光电耦合器是靠电流传输信号,因此,即使是在干扰电压幅值较大的情况下,由于没有足够的电流,仍不能使其导通,从而可以有效的抑制干扰信号;
4、浮地屏蔽
5、采用仪表放大器提高共模抑制比:仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点,是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。
三、接地注意事项及方法
1、不同的地应当分别设置
信号地、功率地、安全地(机壳地)分别设置(互相浮离),并保证接地点之间的距离;最好采用单独电源供电并分别接地,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘;数字地和模拟地不能简单混用一根地线,而应通过接地板一点将模拟地和数字地连接在一起。
2、分别回流法单点接地
计算机控制系统中最常用的是模拟地、数字地、安全地分别回流法单点接地(如图8.2-1所示)。其中回流线采用汇流条(往往由多层铜导体构成,截面呈矩形;各层之间有绝缘层)以减少自感,并将数字地汇流条和模拟地汇流条间隔开以减少电容耦合。
干扰源,指产生干扰的元件、设备或信号,用数学语言描述如下:du/dt, di/dt大的地方就是干扰源。如:雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
从基本原则出发,抗干扰措施如下
1 抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt,di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则,常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
抑制干扰源的常用措施如下:
(1)继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后,增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。
(2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路,电阻一般选几K 到几十K,电容选0.01uF),减小电火花影响。
(3)给电机加滤波电路,注意电容、电感引线要尽量短。
(4)电路板上每个IC要并接一个0.01μF~0.1μF高频电容,以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短,否则,等于增大了电容的等效串联电阻,会影响滤波效果。
(5)布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。
(6)可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。
2切断干扰传播路径
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。
所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播,有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大,要特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离,用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。
切断干扰传播路径的常用措施如下:
(1)充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好,整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器,以减小电源噪声对单片机的干扰。比如,可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路,当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。
(2)如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路)。控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路)。
(3)注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。
(4)电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号。尽可能把干扰源(如电机,继电器)与敏感元件(如单片机)远离。
(5)用地线把数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则,厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。
(6)单片机和大功率器件的地线要单独接地,以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。
(7)在单片机I/O口,电源线,电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器,屏蔽罩,可显著提高电路的抗干扰性能。
3 提高敏感器件的抗干扰性能
提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下:
(1)布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。
(2)布线时,电源线和地线要尽量粗。除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声。
(3)对于单片机闲置的I/O口,不要悬空,要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。
(4)对单片机使用电源监控及看门狗电路,如:IMP809,IMP706,IMP813, X25043,X25045等,可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
(5)在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。
(6)IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座。
plc系统干扰源
1 来自空间的辐升干扰
空间的辐射电磁场主要由电力网络、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的,通常成为辐射干扰,其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内,就回收到辐射于扰,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通信内网络的辐射,由通信线路的感应引人干扰。辐射于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,一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。
2.来自系统外引线的干扰
(1)来自电源的干扰。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。山于电网覆盖范围广,它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化,开关操作浪涌,大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路状态冲击等,都通过输电线路传到电源里边。PLC电源通常采用隔离电源。但其机构及制造工艺因素使其隔离性能并不理想。实际上,由于分布参数特别是分布电容的存在,绝对隔离是不可能的。
(2)来自信号线引入的干扰。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之外,总会有外部干扰信号侵人。此于扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串人的电网干扰,往往被忽视;二是信号线受到空间电磁辐射感应的干扰即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。山信号引人干扰会引起UO信号工作异常和测量精度的大大降低,严重时会引起元器件损伤。对于隔离性能较差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动作和死机。
(3)来自接地系统混乱时的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一。正确的接地,既能抑制电磁千扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰而错误的接地,反而会引起严重的干扰信号,使系统无法正常工作。
3.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及其对模拟电路的影响,模拟地与逻辑地的相4E92影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容,比较复杂,应用部门无法改变,但要选择具有较多应用实绩或纪吕丈考验的模块。
主要抗干扰措施
1采用性能优良的电源,抑制电网引入的干扰
在PLC控制系统中,电源占有极重要的地位。电网干扰串人PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU、电源、I/O电源等)、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祸合进人的。对于变送器和共用信号仪表供电选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器,以减少PLC系统的干扰。此外,为保证电网馈电不中断,可采用在线式不间断供电电源9UPS0供电,提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能,是一种PLC控制系统的理想电源。
2 电缆选择的敷设
为了减少动力电缆辐射电磁干扰,尤其是变频装置敷电电缆的辐射电磁干扰。在工程中,因采用钢带恺装屏蔽电力电缆,从而降低动力电缆生产的电磁干扰。长距离配线时,输人信号线与输出信号线分别使用各自的线缆。交流信号与直流信号分别使用各自的线缆输人输出信号线与高电压、大电流的动力线分开配线。集成电路或晶体管设备的输人、输出信号线,必须使用屏蔽线缆。避免信号线与动力电缆靠近平行敷设,以减少电磁干扰。
3 I/0模块的定性分析
绝缘的输入、输出信号和内部问路L匕非绝缘的抗干扰性能好;双向晶闸管和晶体管型的无触点输出在PLC控制器侧产生的干扰小;输人模块允许的输人信号ON-OFF电压差大,抗干扰性能好;输人信号响应时间慢的输人rl块抗f扰性能好。因此,从抗干扰的角度考虑,I/0模块选型时应考虑以下因素:干扰多的场合,使用绝缘型的I/O模块;安装在控制对象侧的I/O模块要使用绝缘型的I/0模块;无外界干扰的场合,可使用非绝缘型的I/O模块。
3.1 防精入信号干扰
除采用滤波器和控制器良好接地来抑制干扰外,还可考虑以下抗输人干扰的措施。在输入端有感性负荷时,为了防止反冲击感应电动势,在负荷两端并接电阻和电容(为交流输人信号时)见图1,或并接续流二极管(为直流输人信号)见图2。交疏输入方式时,电阻、电容的选择要恰当,才能起到较好的效果。负荷容量在1OVA以下一般选0。1μF、120Ω;负荷容量超过1OVA则选用0。47μF、47Ω比较合适。如果与输人信号并接的电感性负荷较大时,使用继电器中转效果更好。防感应电压的措施K DA。输人端并接浪涌吸收器;②在长距离配线和大电流场合,感应电压大,可用继电器转换。
3.2 防止输出信号的干扰
输出信号干扰的产生:感性负荷场合,输出信号由OFF变成ON时产生突变电流,从ON到OFF时产生反向感应电动势,所有这些,都可能产生干扰。防止干扰的措施:
(1)交流感性负载,在负载的两端并接R,C作为浪涌吸收器。交流220V电压功率为400VA左右时R,C的值分别为47Ω,0。47μF,R,C越靠近负载,其抗干扰效果越好,见图3,
(2)直流负载场合,在负载的两端并接续流二极管,见图4,二极管也要靠近负载,二极管的反向耐压应时负载电压的4倍。
控制器将开关最输出的场合,不管控制器本身有无抗干扰措施,都最好采取图3(交流负载)和图4(直流负载)的抗干扰对策。在开关时产生较大干扰的场合,交流负载可使用双向晶闸管输出模块。在控制盘内用中间继电器进行中间驱动负载的方法时很有效的。对于电子设备的抗干扰技术,主要原则是抑制于扰源,PLC可编程控制器输出信号的干扰,可通过良好的接地引人大地,从而减少干扰的影响。