《電子技術(shù)應(yīng)用》
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自動(dòng)化控制系統(tǒng)中屏蔽接地的應(yīng)用探討
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摘要: 卷煙行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是采用PLC現(xiàn)場總線構(gòu)建的。系統(tǒng)中各主機(jī)設(shè)備使用的溫度參數(shù)、水分參數(shù)、閥門控制數(shù)據(jù)等多采用模擬量4~20mA電流方式進(jìn)行傳輸。同時(shí)控制系統(tǒng)中還大量使用了變頻器、軟啟動(dòng)器等具有強(qiáng)烈電磁干擾的電器設(shè)備,因此存在嚴(yán)重的電場和磁場干擾。
Abstract:
Key words :

  一、 概述

  卷煙行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是采用PLC現(xiàn)場總線構(gòu)建的。系統(tǒng)中各主機(jī)設(shè)備使用的溫度參數(shù)、水分參數(shù)、閥門控制數(shù)據(jù)等多采用模擬量4~20mA電流方式進(jìn)行傳輸。同時(shí)控制系統(tǒng)中還大量使用了變頻器、軟啟動(dòng)器等具有強(qiáng)烈電磁干擾的電器設(shè)備,而且工業(yè)現(xiàn)場動(dòng)力線路密布,設(shè)備啟停運(yùn)轉(zhuǎn)繁忙,因此存在嚴(yán)重的電場和磁場干擾。

  模擬量信號(hào)等控制電纜和現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)電纜運(yùn)行在干擾環(huán)境中,其屏蔽接地若不能得到較好的處理,將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的正常工作造成嚴(yán)重影響。

  屏蔽接地的目的是為防止電氣設(shè)備因受電磁干擾,而影響其工作或?qū)ζ渌O(shè)備造成電磁干擾。

  二、 屏蔽接地方式

  在卷煙行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中,屏蔽接地通常采用兩種方式來處理:屏蔽層單端接地和屏蔽層雙端接地。

  ① 屏蔽層單端接地是在屏蔽電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地,另一端不接地或通過保護(hù)接地。如下圖:

  

  圖1 

  在屏蔽層單端接地情況下,非接地端的金屬屏蔽層對(duì)地之間有感應(yīng)電壓存在,感應(yīng)電壓與電纜的長度成正比,但屏蔽層無電勢環(huán)流通過。單端接地就是利用抑制電勢電位差達(dá)到消除電磁干擾的目的。

  這種接地方式適合長度較短的線路,電纜長度所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓不能超過安全電壓。靜電感應(yīng)電壓的存在將影響電路信號(hào)的穩(wěn)定,有時(shí)可能會(huì)形成天線效應(yīng)。

  ② 雙端接地是將屏蔽電纜的金屬屏蔽層的兩端均連接接地,如下圖:

  

  圖2

 

  在屏蔽層雙端接地情況下,金屬屏蔽層不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓,但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流通過,如果地點(diǎn)A和地點(diǎn)B的電勢不相等,將形成很大的電勢環(huán)流,環(huán)流會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生抵消衰減效果。

  在實(shí)際的應(yīng)用中,采用何種方式的接地處理,需要根據(jù)具體的現(xiàn)場情況來分析和選用。 

  三、 控制系統(tǒng)的屏蔽接地選用

  卷煙行業(yè)的控制系統(tǒng)中,因PLC控制系統(tǒng)的集中性特點(diǎn)決定,現(xiàn)場動(dòng)力線路分布相對(duì)集中,加上輸入輸出的數(shù)字量通道,導(dǎo)線之間形成相互耦合是信號(hào)干擾的重要原因。另外,控制系統(tǒng)使用的變頻器、軟啟動(dòng)器,也對(duì)環(huán)境形成了嚴(yán)重的電磁輻射干擾。

  根據(jù)屏蔽接法的方式和特點(diǎn),在處理控制系統(tǒng)的屏蔽時(shí),需要考慮多個(gè)方面的因素。

  ① 減少導(dǎo)線間的串?dāng)_主要采用遠(yuǎn)離技術(shù):弱信號(hào)的模擬數(shù)據(jù)線要遠(yuǎn)離強(qiáng)信號(hào)線敷設(shè),尤其是遠(yuǎn)離動(dòng)力線路。要避免平行走線,實(shí)際的操作中可以采用敷設(shè)不同橋架的方式進(jìn)行隔離。

  ② 抑制磁場耦合干擾,盡量屏蔽干擾源:對(duì)于變頻器、熱啟動(dòng)器等強(qiáng)干擾源設(shè)備最好能將其用導(dǎo)磁材料屏蔽,但在工程中較難實(shí)現(xiàn),不過應(yīng)該杜絕的是將它們同控制系統(tǒng)的輸入輸出通道設(shè)計(jì)在同一個(gè)控制箱內(nèi)。建議采用相對(duì)獨(dú)立的電控箱安裝。變頻器的動(dòng)力輸出電源最好使用屏蔽電纜,采用單端接地的連接方式,即在控制柜變頻器端的屏蔽接地,電機(jī)端的屏蔽層懸浮。(需要注意的是,電機(jī)側(cè)屏蔽懸浮但正常的保護(hù)接地線仍然要正確安裝和連接)

  ③ 模擬信號(hào)的傳輸選用雙絞屏蔽線較好。雙絞屏蔽線的信號(hào)線與其返回線絞合能減少感性耦合引起的干擾。絞合的兩條線阻抗一樣,自身產(chǎn)生的磁場干擾或外部磁場干擾都可以較好的抵消。同時(shí),平衡式傳輸又獨(dú)具很強(qiáng)的抗共模干擾能力。

  ④ 區(qū)分處理低頻信號(hào)和高頻信號(hào)的屏蔽接地。對(duì)于低頻信號(hào)一般采用屏蔽電纜的屏蔽層單端接地方式,能較好的抑制電位差達(dá)到消除電磁干擾目的(4~20mA的模擬量信號(hào)多屬于此類);對(duì)于高頻信號(hào),應(yīng)該采用雙端接地的方式,包括PLC控制系統(tǒng)的總線網(wǎng)絡(luò)(例如ProfiBus網(wǎng)絡(luò)、DeviceNet網(wǎng)絡(luò)等)、同軸網(wǎng)絡(luò)(ControlNet等)。同軸網(wǎng)絡(luò)更是需要有良好的雙端屏蔽接地,因?yàn)橥S網(wǎng)絡(luò)的屏蔽層除擔(dān)當(dāng)屏蔽的作用外,還是高頻通道的回程導(dǎo)線。

  ⑤ 屏蔽接地要遵循一點(diǎn)接地的原則,系統(tǒng)的控制柜和子控制箱盡可能做到等電勢,減少靜電干擾。可以在柜間安裝直徑6㎜以上連接地線用于平衡電勢。

  在安裝連接屏蔽電纜時(shí),要特別保持屏蔽的完整性,拆斷或分開屏蔽將極大地降低屏蔽效率。

  四、 結(jié)論

  控制系統(tǒng)現(xiàn)場的干擾來源是多方面的,各種輸入輸出信號(hào)之間接地是否合理,不只是形成相互耦合干擾的問題,有時(shí)還危及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。

  針對(duì)不同的項(xiàng)目和不同的現(xiàn)場,屏蔽接地需要有不同的處理方法,正確的設(shè)計(jì)和利用它們、良好地抑制干擾,關(guān)系到控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

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