多种解决模拟量信号干扰的方法——第一个就很实用

静幻堂 2018-02-04

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原创 2018-02-04 胡 PLC工程师

做PLC项目，基本都会涉及到模拟量的控制，使用频率多了，问题也就多了，觉得最棘手的问题莫过于干扰。下面举一个网友所遇到过的变频器对模拟量干扰的例子。

上图为S7-200SMART系列的模拟量扩展模块（AM03和AM06）

上图为西门子MM440的变频器端子接线介绍

故障现象：

西门子S7-200SMART PLC用AM03模拟量输出端与变频器模拟量输入端相连，通过AM03输出一路4-20mA电流控制信号，实现对电机的无级调速；可是在操作过程中，无法实现对变频器的控制，启动不了电机。

故障排查：

1、考虑AM03模块的模拟量输出端问题，用万用表测量4-20mA输出信号，信号正常。

2、用替换法，换了另一台MM440变频器，问题仍然如此。

3、用一台手持式信号发射器做4-20mA输出信号源，输出标准电流信号至变频器，这下变频器启动了，因而排除了模拟量输出板卡和变频器的故障。

由此推测是变频器的干扰信号传导至模拟量通道所致。

4、为了验证推测，在PLC模拟量4-20mA输出通道中加装了一台信号隔离模块TA3012，TA3012的输入端子5、6接模拟量输出模块，输出端子1、2端子接变频器，3、4端子接外部24VDC供电电源，变频器正常启动了。

故障点：

据此断定，问题的根源在于变频器干扰模拟量通道所致，具体如何干扰到，后文有介绍。

上述第五点提到采用信号隔离模块，这确实是其中一种方法，既然提到了，就

顺便科普下：

信号隔离器工作原理

将接收的信号，通过半导体器件调制变换，然后通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立。（其实核心原理就是光电隔离）

信号隔离器选择

隔离器位于二个系统通道之间，所以选择隔离器首先要确定输入输出功能，同时要使隔离器输入输出模式（电压型、电流型、环路供电型等）适应前后端通道接口模式。此外还有精度﹑功耗﹑噪音﹑绝缘强度﹑总线通讯功能等许多重要参数涉及产品性能，例如：噪音与精度有关、功耗热量与可靠性有关，这些需要注意。

信号隔离器使用

一般简单的信号隔离器的接线：有个电源，一个输入，一个输出或两路输出，复杂的可能涉及到调零或调满量程等。详细就看产品手册吧。

通讯线加磁环

磁环究竟有何作用，说白了就一句话：“它就是用来消除杂波信号（降低电磁干扰,滤除高次谐波），而用的一个磁性元件”，主要使用在有干扰的电子产品上，例如数据线上有个起疙瘩的地方，那就是磁环所在地，因为已经注上塑料了，无法看到里面的磁环。

磁环使用注意事项

1. 使用磁环前，必须选择没有裂纹、缺口的磁环，因为有缺口和裂纹的磁环，在使用工程中，都会出现漏磁，以及出现通讯质量不佳。

2. 在穿线时，注意磁环边上有无毛刺，磁环边上的毛刺容易引起刮损通讯线，所以在添加磁环之前，一定要把磁环边上的毛刺磨除，或者选择没有毛刺的磁环来使用。

3. 为了磁环能在短时间内、快速、有效的打击干扰信号，所以尽可把磁环靠近干扰源线上，如果线长或者有足够的空间下，尽量围绕磁环，多绕上几圈，增强它的阻抗特性。

4. 在强大的电流或者干扰信号过强的情况下，选择线的两端各加一个磁环，还可以把信号线两边磁环绕上几圈，大大的提升磁环阻抗值。

5. 如以上几点还是未能解决干扰信号，那么就要考虑到磁环用料的本身，例如是否磁环体积过小的原因，而引起磁环承受不了干扰信号的压力，出现饱和现象。

供电加隔离变压器

隔离变压器的原理和普通变压器的原理是一样的。都是利用电磁感应原理。隔离变压器一般(但并非全部)是指1:1的变压器。由于次级不和大地相连。次级任一根线与大地之间没有电位差，使用安全。常用作维修电源。

正因为隔离变压器的输出端跟输入端是完全"断路"隔离的，这样就有效的对变压器的输入端(电网供给的电源电压)起到了一个良好的过滤作用。从而给用电设备提供了纯净的电源电压。

加不加隔离变压器有讲究——个人观点

1.若仅仅控制回路用电，请使用UPS，UPS内部带隔离，整流，逆变，所以，目前最好的是UPS供电。

2.控制电使用热工电源时可加可不加，热工电源上都是控制设备，没有大的动力设备。

3.使用的是动力电源，必须加隔离变压器，防止大功率设备干扰，电源质量下降，波形畸变，甚至有的中性线上有电流。

信号类型最好采用4-20mA

模拟信号最好采用单独屏蔽线。信号类型最好采用4-20mA电流信号，为什么，还需要从原理出发：

在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降，将产生较大的信号误差；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。

为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常小于nA级别，因此给4－20mA传输带来的误差非常小；电流源内阻趋于无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在屏蔽双绞线上可以传输数百米，只要传送回路不出现分支，回路中的电流就不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度。

接地

接地是个老生常谈的话题，也是容易忽视的问题，原理就不多介绍，捡重点的补充下，模拟量信号一般采用带屏蔽层的双绞线，因此重点介绍屏蔽层的接地：

屏蔽线的一端接地，另一端悬空。当信号线传输距离比较远的时候，由于两端的接地电阻不同或PEN线有电流，可能会导致两个接地点电位不同（电缆两端存在电位差，），此时如果两端接地，屏蔽层就有电流行成，反而对信号形成干扰，因此这种情况下一般采取一点接地，另一端悬空的办法，能避免此种干扰形成。两端接地屏蔽效果更好，但信号失真会增大。

如果是带两层屏蔽的双绞线，两层屏蔽应是相互绝缘隔离型屏蔽，如没有彼此绝缘仍应视为单层屏蔽。

最外层屏蔽两端接地是由于引入的电位差而感应出电流，因此产生降低源磁场强度的磁通，从而基本上抵消掉没有外屏蔽层时所感应的电压；最内层屏蔽一端接地，由于没有电位差，仅用于一般防静电感应。