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發(fā)電站中PLC控制系統的電磁兼容EMC可靠性措施

日期:2024-07-08 08:22
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摘要: 1 發(fā)電站工業(yè)環(huán)境的特點(diǎn) 發(fā)電站的空間存在極強的電磁場(chǎng),發(fā)電機的電壓高達數千伏,電流高達數百安甚至數千安,開(kāi)關(guān)站的輸出電壓高達數十千伏或數百千伏。由于現場(chǎng)條件的限制(例如老設備的改造),有時(shí)上百米長(cháng)的強電電纜和PLC的信號電纜不能有效的分隔開(kāi),甚至只能敷設在同一電纜溝內。高電壓、大電流接通和斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的強電干擾可能會(huì )在PLC輸入線(xiàn)上產(chǎn)生很強的感應電壓和感應電流,足以使PLC輸入端的光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光,使光電耦合器的抗干擾作用失效,導致PLC產(chǎn)生誤動(dòng)作。如某水電站中的PLC在站內無(wú)發(fā)電機運行時(shí)工...

1 發(fā)電站工業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)

發(fā)電站的空間存在極強的電磁場(chǎng),發(fā)電機的電壓高達數千伏,電流高達數百安甚至數千安,開(kāi)關(guān)站的輸出電壓高達數十千伏或數百千伏。由于現場(chǎng)條件的限制(例如老設備的改造),有時(shí)上百米長(cháng)的強電電纜和PLC的信號電纜不能有效的分隔開(kāi),甚至只能敷設在同一電纜溝內。高電壓、大電流接通和斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的強電干擾可能會(huì )在PLC輸入線(xiàn)上產(chǎn)生很強的感應電壓和感應電流,足以使PLC輸入端的光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光,使光電耦合器的抗干擾作用失效,導致PLC產(chǎn)生誤動(dòng)作。如某水電站中的PLC在站內無(wú)發(fā)電機運行時(shí)工作正常,發(fā)電機起動(dòng)運行后經(jīng)常出現誤動(dòng)作,可以觀(guān)察到在沒(méi)有輸入信號時(shí)PLC輸入點(diǎn)的發(fā)光二極管有時(shí)也會(huì )閃動(dòng)。

干擾信號除了經(jīng)PLC的輸入端侵入PLC外,也可能經(jīng)PLC的電源侵入PLC。

與一般的工業(yè)環(huán)境不同,發(fā)電站的繼電器控制系統中的繼電器和執行機構(如斷路器、接觸器和電磁閥等)使用的是直流220V電源,在設計PLC的輸出電路時(shí),應充分考慮這一特點(diǎn)。

2 抗干擾的隔離措施

PLC內部用光電耦合器、輸出模塊中的小型繼電器和光電可控硅等器件來(lái)實(shí)現對外部開(kāi)關(guān)量信號的隔離,PLC的模擬量I/O模塊一般也采取了光電耦合的隔離措施。這些器件除了能減少或消除外部干擾對系統的影響外,還可以保護CPU模塊,使之免受從外部竄入PLC的高電壓的危害,因此一般沒(méi)有必要在PLC外部再設置干擾隔離器件。

如果PLC輸入端的光電耦合器不能有效地抵抗干擾,可以用小型繼電器來(lái)隔離發(fā)電站中用長(cháng)線(xiàn)引入PLC輸入端的開(kāi)關(guān)量信號。光電耦合器中發(fā)光二極管的工作電流僅數毫安,而小型繼電器的線(xiàn)圈吸合電壓為數十毫安,強電干擾信號通過(guò)電磁感應產(chǎn)生的能量一般不可能使隔離用的繼電器吸合。有的系統需要使用外部信號的多對觸點(diǎn),例如一對觸點(diǎn)用來(lái)給PLC提供輸入信號,一對觸點(diǎn)用來(lái)給上位計算機提供開(kāi)關(guān)量信號,一對觸點(diǎn)用于指示燈,使用繼電器轉接輸入信號既能提供多對觸點(diǎn),又實(shí)現了對強電干擾信號的隔離。PLC來(lái)自開(kāi)關(guān)柜內的輸入信號和距開(kāi)關(guān)柜不遠的輸入信號一般沒(méi)有必要用繼電器來(lái)隔離。

為了提高抗干擾能力,PLC的外部信號、PLC和計算機之間的串行通信線(xiàn)路也可以用光纖或帶光電耦合器的通信接口來(lái)隔離,在要求防火、防爆的環(huán)境更適于采用這種方法。

3 對電源的處理

電源是干擾進(jìn)入PLC的主要途徑之一,電源干擾主要是通過(guò)供電線(xiàn)路的阻抗耦合產(chǎn)生的,各種大功率用電、發(fā)電設備是主要的干擾源。

如果PLC使用交流電源,在干擾較強或對可靠性要求很高的場(chǎng)合,可以在PLC的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器,隔離變壓器可以抑制從電源線(xiàn)竄入的外來(lái)干擾,提高譏高頻共模干擾能力,屏蔽層應可靠地接地。

低通濾波器可以吸收掉電源中的大部分“毛刺”,如用L1L2來(lái)表示用來(lái)抑制高頻差模電壓,L3L4來(lái)表示用等長(cháng)的導線(xiàn)反向繞在同一磁環(huán)上的,50HZ的工頻電流在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁通互相抵消,磁環(huán)不會(huì )飽和。兩根線(xiàn)中的共模干擾電流在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁通是迭加的,共模干擾被L3L4阻擋。C1C2來(lái)表示用來(lái)濾除共模干擾電壓,C3來(lái)表示用來(lái)濾除差模干擾電壓。R表示壓敏電阻,其擊穿電壓略高于電源正常工作時(shí)的*高電壓,平常相當于開(kāi)路。遇尖峰干擾脈沖時(shí)被擊穿,干擾電壓被壓敏電阻鉗位,后者的端電壓等于其擊穿電壓。

高頻干擾信號不是通過(guò)變壓器的繞組耦合,而是通過(guò)初級、次級繞組之間的分布電容傳遞的。在初級、次級繞組之間加繞屏蔽層,并將它和鐵芯一起接地,可以減少繞組間的分布電容,提高抗高頻干擾的能力。

也可以直接選用電源濾波器產(chǎn)品,電源濾波器具有良好的共模濾波、差模濾波性能和高頻干擾抑制性能,能有效抑制線(xiàn)與線(xiàn)之間和線(xiàn)與地之間的干擾,其產(chǎn)品可用于交流單相,三相電源和直流電源。

在電力系統中,如果使用220V的直流電源(蓄電池)給PLC供電,可以顯著(zhù)地減少來(lái)自交流電源的干擾,在交流電源消失時(shí),也能保證PLC的正常工作。某些PLC(如三菱公司的FX系列PLC)的電源輸入端內有一個(gè)直接對220V交流電源整流的二極管整流橋,整流濾波后的直流電壓送給PLC內的開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓范圍很寬,這種PLC也可以使用220V直流電源。使用交流電源時(shí),整流橋的每只二極管只承受一半的負載電流,使用直流電源時(shí),有2只二極管承受全部負載電流??紤]到PLC的電源輸入電流很小,在設計時(shí)整流二極管一般都留有較大的裕量,這種PLC如使用直流220V電源電壓不會(huì )有什么問(wèn)題,經(jīng)過(guò)長(cháng)期的工業(yè)運行,證明上述方案是可行的。

4 PLC輸出端的可靠性措施

繼電器輸出模塊的觸點(diǎn)工作電壓范圍寬,導通壓降小,與晶體管型和雙向可控硅型模塊相比,承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強,但是動(dòng)作速度較慢。系統輸出量變化不是很頻繁時(shí),一般選用繼電器型輸出模塊。PLC輸出模塊內的小型繼電器的觸點(diǎn)很小,斷弧能力很差,不能直接用于發(fā)電站的DC 220V電路中,必須用PLC驅動(dòng)外部繼電器,用外部繼電器的觸點(diǎn)驅動(dòng)DC220V的負載。斷開(kāi)直流電路要求較大的繼電器觸點(diǎn),接通同一直流電路可用較小的觸點(diǎn)。選擇外接的繼電器時(shí),應仔細分析是用PLC來(lái)控制接通還是斷開(kāi)外部回路。例如水電站中用得較多的DC 220V電磁閥內部有與其線(xiàn)圈串聯(lián)的限位開(kāi)關(guān)常閉觸點(diǎn),電磁閥線(xiàn)圈通電,閥芯動(dòng)作后,是用閥內部的觸點(diǎn)來(lái)斷開(kāi)電路的。在這種情況下,可以選用觸點(diǎn)較小的小型繼電器來(lái)轉接PLC的輸出信號。

5 安裝與布線(xiàn)的注意事項

開(kāi)關(guān)量信號(如按鈕、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等提供的信號)一般對信號電纜無(wú)嚴格的要求,可選用一般的電纜,信號傳輸距離較遠時(shí),可選用屏蔽電纜。模擬信號和高速信號線(xiàn)(如脈沖傳感器、計數碼盤(pán)等提供的信號)應選擇屏蔽電纜。通信電纜要求可靠性高,有的通信電纜的信號頻率很高(如上兆赫),一般應選用PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的專(zhuān)用電纜,在要求不高或信號頻率較低時(shí),也可以選用帶屏蔽的雙絞線(xiàn)電纜。

PLC應遠離強干擾源,如大功率可控硅裝置、高頻焊機和大型動(dòng)力設備等。PLC不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開(kāi)關(guān)柜內,在柜內PLC應遠離動(dòng)力線(xiàn)(二者之間的距離應大于200mm)。與PLC裝在同一個(gè)開(kāi)關(guān)柜內的電感性元件,如繼電器、接觸器的線(xiàn)圈,應并聯(lián)RC消弧電路。

PLCI/O線(xiàn)與大功率線(xiàn)應分開(kāi)走線(xiàn),如必須要在同一線(xiàn)槽中布線(xiàn),信號線(xiàn)應使用屏蔽電纜。交流線(xiàn)與直流線(xiàn)應分別使用不同的電纜,開(kāi)關(guān)量、模擬量I/O線(xiàn)應分開(kāi)敷設,后者應采用屏蔽線(xiàn)。不同類(lèi)型的線(xiàn)應分別裝入不同的電纜管或電纜槽中,并使其有盡可能大的空間距離。

如果模擬量輸入/輸出信號距離PLC較遠,應采用420mA010mA的電流傳輸方式,而不是易受干擾的電壓傳輸方式。

傳送模擬信號的屏蔽線(xiàn),其屏蔽層應一端接地,為了泄放高頻干擾,數字信號線(xiàn)的屏蔽層應并聯(lián)電位均衡線(xiàn),其電阻應小于屏蔽層電阻的1/10,并將屏蔽層兩端接地。如果無(wú)法設置電位均衡線(xiàn),或只考慮抑制低頻干擾時(shí),也可以一端接地。

不同的信號線(xiàn)*好不用同一個(gè)插接件轉接,如必須用同一個(gè)插接件,要用備用端子或地線(xiàn)端子將它們分隔開(kāi),以減少相互干擾。