發(fā)電站中PLC控制系統(tǒng)的電磁兼容EMC可靠性措施

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(qiáng)的電磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)的電壓高達(dá)數(shù)千伏，電流高達(dá)數(shù)百安甚至數(shù)千安，開關(guān)站的輸出電壓高達(dá)數(shù)十千伏或數(shù)百千伏。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制（例如老設(shè)備的改造），有時(shí)上百米長(zhǎng)的強(qiáng)電電纜和PLC的信號(hào)電纜不能有效的分隔開，甚至只能敷設(shè)在同一電纜溝內(nèi)。高電壓、大電流接通和斷開時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)電干擾可能會(huì)在PLC輸入線上產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)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(dǎo)致PLC產(chǎn)生誤動(dòng)作。如某水電站中的PLC在站內(nèi)無發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)工作正常，發(fā)電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行后經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)作，可以觀察到在沒有輸入信號(hào)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(hào)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(tǒng)中的繼電器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如斷路器、接觸器和電磁閥等）使用的是直流220V電源，在設(shè)計(jì)PLC的輸出電路時(shí)，應(yīng)充分考慮這一特點(diǎn)。

2 抗干擾的隔離措施

PLC內(nèi)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實(shí)現(xiàn)對(duì)外部開關(guān)量信號(hào)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(duì)系統(tǒng)的影響外，還可以保護(hù)CPU模塊，使之免受從外部竄入PLC的高電壓的危害，因此一般沒有必要在PLC外部再設(shè)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隔離發(fā)電站中用長(zhǎng)線引入PLC輸入端的開關(guān)量信號(hào)。光電耦合器中發(fā)光二極管的工作電流僅數(shù)毫安，而小型繼電器的線圈吸合電壓為數(shù)十毫安，強(qiáng)電干擾信號(hào)通過電磁感應(yīng)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(tǒng)需要使用外部信號(hào)的多對(duì)觸點(diǎn)，例如一對(duì)觸點(diǎn)用來給PLC提供輸入信號(hào)，一對(duì)觸點(diǎn)用來給上位計(jì)算機(jī)提供開關(guān)量信號(hào)，一對(duì)觸點(diǎn)用于指示燈，使用繼電器轉(zhuǎn)接輸入信號(hào)既能提供多對(duì)觸點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)強(qiáng)電干擾信號(hào)的隔離。PLC來自開關(guān)柜內(nèi)的輸入信號(hào)和距開關(guān)柜不遠(yuǎn)的輸入信號(hào)一般沒有必要用繼電器來隔離。

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

3 對(duì)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供電線路的阻抗耦合產(chǎn)生的，各種大功率用電、發(fā)電設(shè)備是主要的干擾源。

如果PLC使用交流電源，在干擾較強(qiáng)或?qū)煽啃砸蠛芨叩膱?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竄入的外來干擾，提高譏高頻共模干擾能力，屏蔽層應(yīng)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L1和L2來表示用來抑制高頻差模電壓，L3和L4來表示用等長(zhǎng)的導(dǎo)線反向繞在同一磁環(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L3和L4阻擋。C1和C2來表示用來濾除共模干擾電壓，C3來表示用來濾除差模干擾電壓。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(dāng)于開路。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(hào)不是通過變壓器的繞組耦合，而是通過初級(jí)、次級(jí)繞組之間的分布電容傳遞的。在初級(jí)、次級(jí)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，能有效抑制線與線之間和線與地之間的干擾，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(tǒng)中，如果使用220V的直流電源（蓄電池）給PLC供電，可以顯著地減少來自交流電源的干擾，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(nèi)有一個(gè)直接對(duì)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(nèi)的開關(guān)電源。開關(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(fù)載電流，使用直流電源時(shí)，有2只二極管承受全部負(fù)載電流。考慮到PLC的電源輸入電流很小，在設(shè)計(jì)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)有什么問題，經(jīng)過長(zhǎng)期的工業(yè)運(yùn)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(dǎo)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)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，但是動(dòng)作速度較慢。系統(tǒng)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(nèi)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(qū)動(dòng)外部繼電器，用外部繼電器的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)DC220V的負(fù)載。斷開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(yīng)仔細(xì)分析是用PLC來控制接通還是斷開外部回路。例如水電站中用得較多的DC 220V電磁閥內(nèi)部有與其線圈串聯(lián)的限位開關(guān)常閉觸點(diǎn)，電磁閥線圈通電，閥芯動(dòng)作后，是用閥內(nèi)部的觸點(diǎn)來斷開電路的。在這種情況下，可以選用觸點(diǎn)較小的小型繼電器來轉(zhuǎn)接PLC的輸出信號(hào)。

5 安裝與布線的注意事項(xiàng)

開關(guān)量信號(hào)（如按鈕、限位開關(guān)、接近開關(guān)等提供的信號(hào)）一般對(duì)信號(hào)電纜無嚴(yán)格的要求，可選用一般的電纜，信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，可選用屏蔽電纜。模擬信號(hào)和高速信號(hào)線（如脈沖傳感器、計(jì)數(shù)碼盤等提供的信號(hào)）應(yīng)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(hào)頻率很高（如上兆赫），一般應(yīng)選用PLC生產(chǎn)廠家提供的專用電纜，在要求不高或信號(hào)頻率較低時(shí)，也可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜。

PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，如大功率可控硅裝置、高頻焊機(jī)和大型動(dòng)力設(shè)備等。PLC不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)，在柜內(nèi)PLC應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力線（二者之間的距離應(yīng)大于200mm）。與PLC裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)的電感性元件，如繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路。

PLC的I/O線與大功率線應(yīng)分開走線，如必須要在同一線槽中布線，信號(hào)線應(yīng)使用屏蔽電纜。交流線與直流線應(yīng)分別使用不同的電纜，開關(guān)量、模擬量I/O線應(yīng)分開敷設(shè)，后者應(yīng)采用屏蔽線。不同類型的線應(yīng)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(hào)距離PLC較遠(yuǎn)，應(yīng)采用4～20mA或0～10mA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(hào)的屏蔽線，其屏蔽層應(yīng)一端接地，為了泄放高頻干擾，數(shù)字信號(hào)線的屏蔽層應(yīng)并聯(lián)電位均衡線，其電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的1/10，并將屏蔽層兩端接地。如果無法設(shè)置電位均衡線，或只考慮抑制低頻干擾時(shí)，也可以一端接地。

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