PLC电气控制柜结构设计中的电磁兼容性研究

胡月丹 卢志航

(中海网络科技股份有限公司,上海 200135)

PLC电气控制柜结构设计中的电磁兼容性研究

胡月丹 卢志航

(中海网络科技股份有限公司,上海 200135)

本文对PLC(可编程逻辑控制器)系统电气控制柜的电磁兼容性与电磁干扰进行了分析,针对电磁兼容性与电磁干扰并结合项目具体要求提出了关于PLC电气控制柜的结构设计方案,解决了实际应用中的PLC控制柜的结构设计问题。

PLC 电磁兼容性 电磁干扰

PLC(Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器)系统及相应的数控电子、电气产品随着技术的不断进步，PLC在工业领域中的应用日渐广泛，因而对PLC电气控制柜的结构设计也提出了更高的要求。首先设备是在较为复杂的工况电磁环境中运行，因而要求设备在实现设计的工作性能时，不因电磁干扰而影响各项性能指标；其次所涉及的设备不能干扰临近电子设备。这项要求为电子产品提出了一项重要指标——电磁兼容性。随着PLC控制柜内产品复杂度及产品数量的提高，在机箱的结构设计阶段必须充分地考虑到电磁兼容性问题，对于促进机箱结构设计的质量是很有必要的。本文通过对PLC控制柜内的电磁兼容性和电磁干扰的分析研究，并结合几种实际项目对控制柜的元器件种类、数量以及控制柜尺寸限制条件等的具体要求，提出了几种具有针对性的控制柜结构设计方案。这些方案在满足具体电气设计要求的同时也充分考虑了电磁干扰和电磁兼容性，实现了PLC控制柜的结构设计既能保证抗干扰的同时，又能保证电气原理以及施工和维护的便利性，同时也需要兼顾节约能源和成本等因素。

图1 普通设计的PLC控制柜内部布置平面图(正面)

图2 条架式设计的PLC控制柜内部布置平面图(正面)

图3 抽屉式设计的PLC控制柜内部布置平面图

1 电气控制柜电磁干扰分析

1.1 电磁兼容性与电磁干扰

电磁兼容性的英文缩写为EMC(electromagnetic compatibility)，它是指：设备在共同的电磁环境中能在不降低任何性能指标的前提下正常工作。PLC电气控制系统各功能单元同在一个机柜之内，那么就要求这些功能单元在独自运行过程中相互适应。因而在PLC电气控制系统结构设计中首先要控制各功能单元的电磁发射，其次也要保证各功能单元不受外界电磁辐射的干扰。

图4 双层安装板设计的PLC控制柜内部布置平面图

表1

1.2 自生干扰

自生干扰是指PLC设备内部各功能单元之间通过电磁辐射及电路连接而产生的干扰， 这些干扰表现为：PLC(Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器)系统各功能组件及相应的数控电子、电气部件间的电磁干扰；印刷电路板上的线间电容和级间漏电造成的干扰；PLC设备各功能单元内部产生的高频辐射，影响元器件本身或者其它元器件的稳定性造成的干扰。

1.3 入侵干扰

入侵干扰是指PLC电气控制柜系统以外的因素对PLC电气控制系统产生的干扰， 主要包括以下几种情况：外部高电压设备通过共用的电源及公共接地线对PLC电气控制柜系统产生的干扰；外部高频高压设备在空间产生的强磁场，通过辐射对PLC电气控制柜系统产生的干扰；由于设备散热而引起的PLC电气控制柜系统的功能单元性能改变致使整机功能难以实现或性能指标下降；各功能单元的供电电路通过电源变压器、开关电源及逆变器等产生的干扰。

1.4 电磁干扰的形成

(1)沿电路的连接线(电源线、接地线或信号线)形成的电磁干扰。这种干扰可称为连线干扰或直接干扰。连线干扰或直接干扰，在电路设计之初就应加以考虑，因为它是不可避免的。一旦电路设计定型这种干扰就存在了。(2)间接干扰是指空间周围辐射源通过空间传播形成的电磁干扰。干扰源的辐射功率的分贝数如果大于PLC电气控制柜系统中具有增益功能电路的增益分贝数，那么这种电磁干扰即形成了。此外电子设备机箱还存在着结构位移场、电磁场、温度场之间相互影响、相互耦合。这些也应在电磁兼容性中加以考虑。

2 电气控制柜的电磁屏蔽

电磁屏蔽显然是使PLC电气控制柜设备免受干扰的最有效的方法。干扰源、耦合途径和感受器( 敏感装置) 构成了电磁干扰的三要素。电磁兼容性设计内容包括： 限制干扰源的电磁发射、控制电磁干扰的传播及增强敏感设备的抗干扰能力。因而电磁屏蔽是电磁兼容性设计的极其重要的环节。

2.1 电磁屏蔽的基本原理

根据电磁学的基本原理凡导电和导磁性能良好材料构成的封闭壳体具有电磁屏蔽功能。利用该原理来控制电磁干扰，抑制电磁感应和辐射的传播。目前我们生产的PLC电气控制柜设备都有金属支撑架和金属外壳体，它一方面具有机械结构功能，另一方面还兼有电磁屏蔽的功能。这种电磁屏蔽是符合电磁兼容性设计原则的。这种电磁屏蔽可防止PLC电气控制柜设备的电磁辐射造成对外电磁环境的污染。同时可避免PLC电气控制柜设备在外界电磁干扰下，无法正常工作和性能指标的下降。因此， 机箱对PLC电气控制柜电磁兼容性能的影响是十分大的。有效地电磁屏蔽可以提高抗干扰能力，实现电磁兼容。为实现设备的正常功能通常采取的屏蔽措施有：静电屏蔽，主要用来屏蔽静电场和恒定磁场；以及电磁屏蔽，主要用于屏蔽交变电场、交变磁场以及交变电磁场。

2.2 电磁屏蔽的基本要求

通过上述分析可以给出一些电磁屏蔽设计的基本要求：(1)在屏蔽材料的选择上一定选用导电性和导磁性良好的材料。如果两种性能不能兼顾，可采用电场屏蔽和磁场屏蔽分别屏蔽的双层屏蔽的结构来解决。因为导电性好的材料可有效地屏蔽电场波，而导磁性好的材料可有效地屏蔽磁场波。(2)由于屏蔽磁场要求屏蔽体一定远离磁场源，所以要求屏蔽体和被屏蔽的电路间留有相应的空间。(3)对于1kHz以下的频率很低的磁场，应采用高导磁性的材料进行屏蔽，常用的材料是含镍80%左右的坡莫合金。

表2

表3

表4

3 电磁屏蔽在电气控制柜结构设计中的应用

PLC电气控制柜在结构设计中应充分考虑电磁屏蔽，以保证控制柜内的各个设备元件正常稳定工作。PLC电气控制柜的干扰主要由两个部分组成：一是来自外界的干扰，屏蔽外界干扰最主要的途径是通过柜体来解决的；二是来自内部元器件之间的干扰，屏蔽这种干扰主要是通过元器件之间的相对隔离来实现，在实际应用中主要有两种隔离方式，隔离方式的不同取决于元器件的安装方式、数量以及柜体尺寸大小。

3.1 一般形式的PLC控制柜的结构设计

在PLC电气控制柜在结构设计中一般主要采取以下措施：(1)控制柜体采用不锈钢(Q235)材料，柜体采用框架式结构；框架式结构便于柜内元器件的安装同时提高了机柜整体的强度和稳定性，而不锈钢材料一方面可以保证柜内的电子原件不受外界的电磁干扰影响正常工作，另一方面也增加了柜体的结构强度。(2)一般的PLC控制柜采取的是一块底板式安装，控制柜内设备垂直于安装底板安装，安装底板固定于柜体框架上；因此，为保证控制柜里的核心元件——PLC模块，不受其它设备的干扰，需要将PLC模块集中安装于电气控制柜的上部，与其它电气设备保持一定的电气距离，并且周围布置走线槽，从而减少了其它元器件对它的干扰影响，保证PLC的稳定运行。(3)如果控制柜内还有其它强电设备(如变压器、变频器等)等，这些设备在启动和运行时，都将产生不小的电磁干扰，因此需要将这些设备安装于控制柜底部尽量远离PLC模块。同时也需要将这些强电设备与弱电设备(信号转换器、DC电源等)分别安装在控制柜内不同区域，各器件周围必须保证一定的接线距离以及线槽布置，保持接线距离和布置接线槽在这里也起到了一定的抗干扰作用，空间允许的情况下，应该尽量将各类器件分域区布置。图1为一般情况下设计的PLC控制柜的布置图。

控制柜尺寸2100×800×600(高×宽×深，单位mm)，控制柜中使用1块安装底板，安装底板上划分了7个区域(区域间由线槽隔开)，各个区域的元器件如表1。

综上所述，由于考虑到PLC模块与其它设备间的干扰问题，在控制柜结构设计中，需要保证PLC模块与其它设备之间的安装距离，因此控制柜的空间则不可避免的需要更大。

3.2 特殊形式的PLC控制柜的结构设计

在实际应用中，往往会有特殊的项目要求，如隧道内的区域控制器项目的箱体大小受到隧道洞的限制，高架项目的箱体大小受到安装法兰大小的限制，挂壁式的箱体大小受到立柱大小以及抱箍位置的限制，都会对控制柜的大小尺寸有比较严格的要求。需要在狭小的控制柜空间内安放下PLC模块、开关电源、光端机、变压器、BBC广播功放等设备并保证其正常工作，这就对控制柜的结构设计提出了新的要求，一整块安装底板的安装方式和单独依靠增加设备间距来降低干扰的方式对这些项目的控制柜就不适用了。因此，在这些项目的控制柜的设计中需要采用一些特殊的结构设计方案，使得控制柜根据项目需要更加应地制宜，已达到项目预期的目的。

3.2.1 条架式的PLC控制柜的结构设计

对于强电设备较多而控制柜尺寸较大的PLC控制柜，可以采取以下方式：将柜内各个设备分别(或分类)安装在控制柜内不同区域并使用不同安装底板固定，安装底板使用覆铝锌板，厚度1.5～2.5mm(根据设备元件的重量选择不同的厚度)。采用独立的安装板可以有效的减少设备之间的电磁干扰，保证了设备的正常工作。这种结构设计还可以有效的提高施工和现场维护的效率：需要维护的时候只需拆下相应的条架即可，不需要整个底板都卸下，节省了人力物力；而条架安装件上下各翻两道边，在大小满足器件的同时强度依然可靠。图2为条架式设计的PLC控制柜的布置图。

控制柜尺寸2100×1600×600(高×宽×深，单位mm)，控制柜中使用8块安装条架，每块安装条架上的元器件如表2。

3.2.2 抽屉式的PLC控制柜的结构设计

对于强电设备较少(或没有)而控制柜尺寸较小的PLC控制柜，可以采取抽屉式安装的设备安装方式。各个抽屉之间相互有金属隔板(Q235或覆铝锌板材)隔离，厚度1.5～2.0mm左右，PLC模块与其它设备分别安装于不同的“抽屉”中。由于不同的区域相对独立，这样就有效的隔离了PLC模块以及其它设备之间电磁干扰，另外通过金属隔板来隔离干扰效果明显优于线槽等PVC材料以及拉大器件间距等的阻隔效果，无论从硬度强度还是节约空间和材料方面来说都有明显的优势。采用这种安装方式也便于日常的维修和检查工作：在检修某一区域设备时不会影响到其它区域的设备。该形式的安装方式目前在车道控制器的项目已得到了广泛的应用并收到了很好的效果。图3为抽屉式设计的PLC控制柜的布置图。

控制柜尺寸800×500×350(高×宽×深，单位mm)，控制柜中设计了3个安装区域(抽屉)，每个安装区域里的元器件如表3。

3.2.3 双层式的PLC控制柜的结构设计

对于设备较多而控制柜尺寸较小的PLC控制柜，可以采用另一种新颖的布局方式：双层安装板的布局形式。不同于抽屉式的上下结构安装，双层结构是在除了安装底板以外，采用金属立柱和铰链或合叶等布置一块与底板平行的安装板(隔板采用覆铝锌板，厚度1.5～2.0mm)，将需要屏蔽的元器件装在这块安装板上。由于有一层安装板的隔离，起到了屏蔽的目的。由于采用铰链或合叶的立柱的形式，不会影响现场维护人员进行维修和车间人员进行安装接线，随时可以摇动的安装板，给施工带来极大的便利。采用这种安装方式可以有效的利用控制柜内有限的空间，既能做到在有限的控制柜内摆放大量的元器件，又可以较好的解决设备之间的电磁干扰问题。图4为双层式设计的PLC控制柜的布置图。

控制柜尺寸930×600×320(高×宽×深，单位mm)，控制柜内“A”、“B”2个安装底板在第一层，“C”、“D”、“E”3个安装底板分别通过铰链和合叶安装在第二层，每个安装区域里的元器件如表4。

4 结语

实际项目的具体要求复杂多样，对PLC控制柜的结构设计也提出不同要求，通过对电磁干扰和电磁兼容性的分析研究，可以在结构设计中针对不同的要求实现保证电气原理和抗干扰兼顾的同时更好的做到提供施工和维护的便利性以及节约能源和成本等因素。

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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,助理工程师,主要从事电气自动化方面研究;

卢志航(1977—),男,吉林长春人,本科,高级工程师,主要从事电气自动化方面研究。