PLC電氣控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的電磁兼容性研究

胡月丹 盧志航

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司,上海 200135)

PLC電氣控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的電磁兼容性研究

胡月丹 盧志航

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司,上海 200135)

本文對(duì)PLC(可編程邏輯控制器)系統(tǒng)電氣控制柜的電磁兼容性與電磁干擾進(jìn)行了分析,針對(duì)電磁兼容性與電磁干擾并結(jié)合項(xiàng)目具體要求提出了關(guān)于PLC電氣控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,解決了實(shí)際應(yīng)用中的PLC控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

PLC 電磁兼容性 電磁干擾

PLC(Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器)系統(tǒng)及相應(yīng)的數(shù)控電子、電氣產(chǎn)品隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用日漸廣泛，因而對(duì)PLC電氣控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。首先設(shè)備是在較為復(fù)雜的工況電磁環(huán)境中運(yùn)行，因而要求設(shè)備在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作性能時(shí)，不因電磁干擾而影響各項(xiàng)性能指標(biāo)；其次所涉及的設(shè)備不能干擾臨近電子設(shè)備。這項(xiàng)要求為電子產(chǎn)品提出了一項(xiàng)重要指標(biāo)——電磁兼容性。隨著PLC控制柜內(nèi)產(chǎn)品復(fù)雜度及產(chǎn)品數(shù)量的提高，在機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段必須充分地考慮到電磁兼容性問(wèn)題，對(duì)于促進(jìn)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量是很有必要的。本文通過(guò)對(duì)PLC控制柜內(nèi)的電磁兼容性和電磁干擾的分析研究，并結(jié)合幾種實(shí)際項(xiàng)目對(duì)控制柜的元器件種類、數(shù)量以及控制柜尺寸限制條件等的具體要求，提出了幾種具有針對(duì)性的控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。這些方案在滿足具體電氣設(shè)計(jì)要求的同時(shí)也充分考慮了電磁干擾和電磁兼容性，實(shí)現(xiàn)了PLC控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既能保證抗干擾的同時(shí)，又能保證電氣原理以及施工和維護(hù)的便利性，同時(shí)也需要兼顧節(jié)約能源和成本等因素。

圖1 普通設(shè)計(jì)的PLC控制柜內(nèi)部布置平面圖(正面)

圖2 條架式設(shè)計(jì)的PLC控制柜內(nèi)部布置平面圖(正面)

圖3 抽屜式設(shè)計(jì)的PLC控制柜內(nèi)部布置平面圖

1 電氣控制柜電磁干擾分析

1.1 電磁兼容性與電磁干擾

電磁兼容性的英文縮寫為EMC(electromagnetic compatibility)，它是指：設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能在不降低任何性能指標(biāo)的前提下正常工作。PLC電氣控制系統(tǒng)各功能單元同在一個(gè)機(jī)柜之內(nèi)，那么就要求這些功能單元在獨(dú)自運(yùn)行過(guò)程中相互適應(yīng)。因而在PLC電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中首先要控制各功能單元的電磁發(fā)射，其次也要保證各功能單元不受外界電磁輻射的干擾。

圖4 雙層安裝板設(shè)計(jì)的PLC控制柜內(nèi)部布置平面圖

表1

1.2 自生干擾

自生干擾是指PLC設(shè)備內(nèi)部各功能單元之間通過(guò)電磁輻射及電路連接而產(chǎn)生的干擾， 這些干擾表現(xiàn)為：PLC(Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器)系統(tǒng)各功能組件及相應(yīng)的數(shù)控電子、電氣部件間的電磁干擾；印刷電路板上的線間電容和級(jí)間漏電造成的干擾；PLC設(shè)備各功能單元內(nèi)部產(chǎn)生的高頻輻射，影響元器件本身或者其它元器件的穩(wěn)定性造成的干擾。

1.3 入侵干擾

入侵干擾是指PLC電氣控制柜系統(tǒng)以外的因素對(duì)PLC電氣控制系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾， 主要包括以下幾種情況：外部高電壓設(shè)備通過(guò)共用的電源及公共接地線對(duì)PLC電氣控制柜系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾；外部高頻高壓設(shè)備在空間產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，通過(guò)輻射對(duì)PLC電氣控制柜系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾；由于設(shè)備散熱而引起的PLC電氣控制柜系統(tǒng)的功能單元性能改變致使整機(jī)功能難以實(shí)現(xiàn)或性能指標(biāo)下降；各功能單元的供電電路通過(guò)電源變壓器、開關(guān)電源及逆變器等產(chǎn)生的干擾。

1.4 電磁干擾的形成

(1)沿電路的連接線(電源線、接地線或信號(hào)線)形成的電磁干擾。這種干擾可稱為連線干擾或直接干擾。連線干擾或直接干擾，在電路設(shè)計(jì)之初就應(yīng)加以考慮，因?yàn)樗遣豢杀苊獾摹Ｒ坏╇娐吩O(shè)計(jì)定型這種干擾就存在了。(2)間接干擾是指空間周圍輻射源通過(guò)空間傳播形成的電磁干擾。干擾源的輻射功率的分貝數(shù)如果大于PLC電氣控制柜系統(tǒng)中具有增益功能電路的增益分貝數(shù)，那么這種電磁干擾即形成了。此外電子設(shè)備機(jī)箱還存在著結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)、電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)之間相互影響、相互耦合。這些也應(yīng)在電磁兼容性中加以考慮。

2 電氣控制柜的電磁屏蔽

電磁屏蔽顯然是使PLC電氣控制柜設(shè)備免受干擾的最有效的方法。干擾源、耦合途徑和感受器( 敏感裝置) 構(gòu)成了電磁干擾的三要素。電磁兼容性設(shè)計(jì)內(nèi)容包括： 限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播及增強(qiáng)敏感設(shè)備的抗干擾能力。因而電磁屏蔽是電磁兼容性設(shè)計(jì)的極其重要的環(huán)節(jié)。

2.1 電磁屏蔽的基本原理

根據(jù)電磁學(xué)的基本原理凡導(dǎo)電和導(dǎo)磁性能良好材料構(gòu)成的封閉殼體具有電磁屏蔽功能。利用該原理來(lái)控制電磁干擾，抑制電磁感應(yīng)和輻射的傳播。目前我們生產(chǎn)的PLC電氣控制柜設(shè)備都有金屬支撐架和金屬外殼體，它一方面具有機(jī)械結(jié)構(gòu)功能，另一方面還兼有電磁屏蔽的功能。這種電磁屏蔽是符合電磁兼容性設(shè)計(jì)原則的。這種電磁屏蔽可防止PLC電氣控制柜設(shè)備的電磁輻射造成對(duì)外電磁環(huán)境的污染。同時(shí)可避免PLC電氣控制柜設(shè)備在外界電磁干擾下，無(wú)法正常工作和性能指標(biāo)的下降。因此， 機(jī)箱對(duì)PLC電氣控制柜電磁兼容性能的影響是十分大的。有效地電磁屏蔽可以提高抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)電磁兼容。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的正常功能通常采取的屏蔽措施有：靜電屏蔽，主要用來(lái)屏蔽靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)；以及電磁屏蔽，主要用于屏蔽交變電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)。

2.2 電磁屏蔽的基本要求

通過(guò)上述分析可以給出一些電磁屏蔽設(shè)計(jì)的基本要求：(1)在屏蔽材料的選擇上一定選用導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性良好的材料。如果兩種性能不能兼顧，可采用電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽分別屏蔽的雙層屏蔽的結(jié)構(gòu)來(lái)解決。因?yàn)閷?dǎo)電性好的材料可有效地屏蔽電場(chǎng)波，而導(dǎo)磁性好的材料可有效地屏蔽磁場(chǎng)波。(2)由于屏蔽磁場(chǎng)要求屏蔽體一定遠(yuǎn)離磁場(chǎng)源，所以要求屏蔽體和被屏蔽的電路間留有相應(yīng)的空間。(3)對(duì)于1kHz以下的頻率很低的磁場(chǎng)，應(yīng)采用高導(dǎo)磁性的材料進(jìn)行屏蔽，常用的材料是含鎳80%左右的坡莫合金。

表2

表3

表4

3 電磁屏蔽在電氣控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

PLC電氣控制柜在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮電磁屏蔽，以保證控制柜內(nèi)的各個(gè)設(shè)備元件正常穩(wěn)定工作。PLC電氣控制柜的干擾主要由兩個(gè)部分組成：一是來(lái)自外界的干擾，屏蔽外界干擾最主要的途徑是通過(guò)柜體來(lái)解決的；二是來(lái)自內(nèi)部元器件之間的干擾，屏蔽這種干擾主要是通過(guò)元器件之間的相對(duì)隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中主要有兩種隔離方式，隔離方式的不同取決于元器件的安裝方式、數(shù)量以及柜體尺寸大小。

3.1 一般形式的PLC控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在PLC電氣控制柜在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般主要采取以下措施：(1)控制柜體采用不銹鋼(Q235)材料，柜體采用框架式結(jié)構(gòu)；框架式結(jié)構(gòu)便于柜內(nèi)元器件的安裝同時(shí)提高了機(jī)柜整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而不銹鋼材料一方面可以保證柜內(nèi)的電子原件不受外界的電磁干擾影響正常工作，另一方面也增加了柜體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。(2)一般的PLC控制柜采取的是一塊底板式安裝，控制柜內(nèi)設(shè)備垂直于安裝底板安裝，安裝底板固定于柜體框架上；因此，為保證控制柜里的核心元件——PLC模塊，不受其它設(shè)備的干擾，需要將PLC模塊集中安裝于電氣控制柜的上部，與其它電氣設(shè)備保持一定的電氣距離，并且周圍布置走線槽，從而減少了其它元器件對(duì)它的干擾影響，保證PLC的穩(wěn)定運(yùn)行。(3)如果控制柜內(nèi)還有其它強(qiáng)電設(shè)備(如變壓器、變頻器等)等，這些設(shè)備在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)，都將產(chǎn)生不小的電磁干擾，因此需要將這些設(shè)備安裝于控制柜底部盡量遠(yuǎn)離PLC模塊。同時(shí)也需要將這些強(qiáng)電設(shè)備與弱電設(shè)備(信號(hào)轉(zhuǎn)換器、DC電源等)分別安裝在控制柜內(nèi)不同區(qū)域，各器件周圍必須保證一定的接線距離以及線槽布置，保持接線距離和布置接線槽在這里也起到了一定的抗干擾作用，空間允許的情況下，應(yīng)該盡量將各類器件分域區(qū)布置。圖1為一般情況下設(shè)計(jì)的PLC控制柜的布置圖。

控制柜尺寸2100×800×600(高×寬×深，單位mm)，控制柜中使用1塊安裝底板，安裝底板上劃分了7個(gè)區(qū)域(區(qū)域間由線槽隔開)，各個(gè)區(qū)域的元器件如表1。

綜上所述，由于考慮到PLC模塊與其它設(shè)備間的干擾問(wèn)題，在控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要保證PLC模塊與其它設(shè)備之間的安裝距離，因此控制柜的空間則不可避免的需要更大。

3.2 特殊形式的PLC控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)有特殊的項(xiàng)目要求，如隧道內(nèi)的區(qū)域控制器項(xiàng)目的箱體大小受到隧道洞的限制，高架項(xiàng)目的箱體大小受到安裝法蘭大小的限制，掛壁式的箱體大小受到立柱大小以及抱箍位置的限制，都會(huì)對(duì)控制柜的大小尺寸有比較嚴(yán)格的要求。需要在狹小的控制柜空間內(nèi)安放下PLC模塊、開關(guān)電源、光端機(jī)、變壓器、BBC廣播功放等設(shè)備并保證其正常工作，這就對(duì)控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求，一整塊安裝底板的安裝方式和單獨(dú)依靠增加設(shè)備間距來(lái)降低干擾的方式對(duì)這些項(xiàng)目的控制柜就不適用了。因此，在這些項(xiàng)目的控制柜的設(shè)計(jì)中需要采用一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使得控制柜根據(jù)項(xiàng)目需要更加應(yīng)地制宜，已達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期的目的。

3.2.1 條架式的PLC控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于強(qiáng)電設(shè)備較多而控制柜尺寸較大的PLC控制柜，可以采取以下方式：將柜內(nèi)各個(gè)設(shè)備分別(或分類)安裝在控制柜內(nèi)不同區(qū)域并使用不同安裝底板固定，安裝底板使用覆鋁鋅板，厚度1.5～2.5mm(根據(jù)設(shè)備元件的重量選擇不同的厚度)。采用獨(dú)立的安裝板可以有效的減少設(shè)備之間的電磁干擾，保證了設(shè)備的正常工作。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可以有效的提高施工和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的效率：需要維護(hù)的時(shí)候只需拆下相應(yīng)的條架即可，不需要整個(gè)底板都卸下，節(jié)省了人力物力；而條架安裝件上下各翻兩道邊，在大小滿足器件的同時(shí)強(qiáng)度依然可靠。圖2為條架式設(shè)計(jì)的PLC控制柜的布置圖。

控制柜尺寸2100×1600×600(高×寬×深，單位mm)，控制柜中使用8塊安裝條架，每塊安裝條架上的元器件如表2。

3.2.2 抽屜式的PLC控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于強(qiáng)電設(shè)備較少(或沒有)而控制柜尺寸較小的PLC控制柜，可以采取抽屜式安裝的設(shè)備安裝方式。各個(gè)抽屜之間相互有金屬隔板(Q235或覆鋁鋅板材)隔離，厚度1.5～2.0mm左右，PLC模塊與其它設(shè)備分別安裝于不同的“抽屜”中。由于不同的區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，這樣就有效的隔離了PLC模塊以及其它設(shè)備之間電磁干擾，另外通過(guò)金屬隔板來(lái)隔離干擾效果明顯優(yōu)于線槽等PVC材料以及拉大器件間距等的阻隔效果，無(wú)論從硬度強(qiáng)度還是節(jié)約空間和材料方面來(lái)說(shuō)都有明顯的優(yōu)勢(shì)。采用這種安裝方式也便于日常的維修和檢查工作：在檢修某一區(qū)域設(shè)備時(shí)不會(huì)影響到其它區(qū)域的設(shè)備。該形式的安裝方式目前在車道控制器的項(xiàng)目已得到了廣泛的應(yīng)用并收到了很好的效果。圖3為抽屜式設(shè)計(jì)的PLC控制柜的布置圖。

控制柜尺寸800×500×350(高×寬×深，單位mm)，控制柜中設(shè)計(jì)了3個(gè)安裝區(qū)域(抽屜)，每個(gè)安裝區(qū)域里的元器件如表3。

3.2.3 雙層式的PLC控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于設(shè)備較多而控制柜尺寸較小的PLC控制柜，可以采用另一種新穎的布局方式：雙層安裝板的布局形式。不同于抽屜式的上下結(jié)構(gòu)安裝，雙層結(jié)構(gòu)是在除了安裝底板以外，采用金屬立柱和鉸鏈或合葉等布置一塊與底板平行的安裝板(隔板采用覆鋁鋅板，厚度1.5～2.0mm)，將需要屏蔽的元器件裝在這塊安裝板上。由于有一層安裝板的隔離，起到了屏蔽的目的。由于采用鉸鏈或合葉的立柱的形式，不會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員進(jìn)行維修和車間人員進(jìn)行安裝接線，隨時(shí)可以搖動(dòng)的安裝板，給施工帶來(lái)極大的便利。采用這種安裝方式可以有效的利用控制柜內(nèi)有限的空間，既能做到在有限的控制柜內(nèi)擺放大量的元器件，又可以較好的解決設(shè)備之間的電磁干擾問(wèn)題。圖4為雙層式設(shè)計(jì)的PLC控制柜的布置圖。

控制柜尺寸930×600×320(高×寬×深，單位mm)，控制柜內(nèi)“A”、“B”2個(gè)安裝底板在第一層，“C”、“D”、“E”3個(gè)安裝底板分別通過(guò)鉸鏈和合葉安裝在第二層，每個(gè)安裝區(qū)域里的元器件如表4。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際項(xiàng)目的具體要求復(fù)雜多樣，對(duì)PLC控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出不同要求，通過(guò)對(duì)電磁干擾和電磁兼容性的分析研究，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中針對(duì)不同的要求實(shí)現(xiàn)保證電氣原理和抗干擾兼顧的同時(shí)更好的做到提供施工和維護(hù)的便利性以及節(jié)約能源和成本等因素。

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[4]周旭.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004,7.

The paper analysis the electromagnetic compatibility and electromagnetic interference of the electrical control cabinet for PLC (programmable logic controller) system, In order to solve the electromagnetic compatibility and electromagnetic interference and puts forward the scheme of structure design of PLC electrical control cabinet with project specific requirements, Success in solving the problem of structure design of the practical application of the PLC control cabinet.

PLC; EMC;EMI

胡月丹(1986—),女,江西南昌人,本科,助理工程師,主要從事電氣自動(dòng)化方面研究;

盧志航(1977—),男,吉林長(zhǎng)春人,本科,高級(jí)工程師,主要從事電氣自動(dòng)化方面研究。