PLC控制系統應用的抗干擾問題

分析了電磁干擾及其對PLC控制系統干擾機制，指出工程應用時必須綜合考慮控制系統抗干擾性能，并結合工程提出了幾種有效抗干擾措施。

　　1 概述

　　科學技術發展，PLC工業控制中應用越來越廣泛。PLC控制系統可靠性直接影響到工業企業安全生產和經濟運行，系統抗力是關系到整個系統可靠運行關鍵。自動化系統中所使用各種類型PLC，有是集中安裝控制室，有是安裝生產現場和各電機設備上，它們大多處強電電路和強電設備所形成惡劣電磁環境中。要提高PLC控制系統可靠性，要求PLC生產廠家用提高設備抗力；另，要求工程設計、安裝施工和使用維護中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效增強系統抗干擾性能。

　　2 電磁干擾源及對系統干擾

　　2.1 干擾源及干擾一般分類

　　影響PLC控制系統干擾源與一般影響工業控制設備干擾源一樣，大都產生電流或電壓劇烈變化部位，這些電荷劇烈移動部位就是噪聲源，即干擾源。

　　干擾類型通常按干擾產生原因、噪聲干擾模式和噪聲波形性質不同劃分。其中：按噪聲產生原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲波形、性質不同，分為持續噪聲、偶發噪聲等；按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用分類方法。共模干擾是信號對電位差，主要由電網串入、電位差及空間電磁輻射信號線上感應共態（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓較大，特別是采用隔離性能差配電器供電室，變送器輸出信號共模電壓普遍較高，有可高達130V以上。共模電壓不對稱電路可轉換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞（這就是一些系統I/O模件損壞率較高主要原因），這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間干擾電壓，主要由空間電磁場信號間耦合感應及由不平衡電路轉換共模干擾所形成電壓，這種讓直接疊加信號上，直接影響測量與控制精度。

　　2.2 PLC控制系統中電磁干擾主要來源

　　2.2.1 來自空間輻射干干擾

　　空間輻射電磁場（EMI）主由電力網絡、電氣設備暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。若PLC系統置于所射頻場內，就回收到輻射干擾，其影響主要兩條路徑：一是直接對PLC內部輻射，由電路感應產生干擾；對PLC通信內網絡輻射，由通信線路感應引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生電磁場大小，特別是頻率有關，一般設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

　　2.2.2 來自系統外引線干擾

　　主要電源和信號線引入，通常稱為傳導干擾。這種干擾我國工業現場較嚴重。

　　（1）來自電源干擾

　　實踐證明，因電源引入干擾造成PLC控制系統故障情況很多，筆者某工程調試中遇到過，后更換隔離性能更高PLC電源，問題才到解決。

　　PLC系統正常供電電源均由電網供電。電網覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而線路上感應電壓和電路。尤其是電網內部變化，入開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起諧波、電網短路暫態沖擊等，都輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但其機構及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實際上，分布參數特別是分布電容存，優良隔離是不可能。

　　（2）來自信號線引入干擾

　　與PLC控制系統連接各類信號傳輸線，傳輸有效各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是變送器供電電源或共用信號儀表供電電源串入電網干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應干擾，即信號線上外部感應干擾，這是很嚴重。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。隔離性能差系統，還將導致信號間互相干擾，引起共系統總線回流，造成邏輯數據變化、誤動和死機。PLC控制系統因信號引入干擾造成I/O模件損壞數相當嚴重，由此引起系統故障情況也很多。

　　（3）來自接系統混亂時干擾

　　接是提高電子設備電磁兼容性（EMC）有效手段之一。正確接，既能抑制電磁干擾影響，又能抑制設備向外發出干擾；而錯誤接，會引入嚴重干擾信號，使PLC系統將無法正常工作。

　　PLC控制系統線包括系統、屏蔽、交流和保護等。接系統混亂對PLC系統干擾主各個接點電位分布不均，不同接點間存電位差，引起環路電流，影響系統正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接，電纜屏蔽層兩端A、B都接，就存電位差，有電流流過屏蔽層，當發生異常狀態如雷擊時，線電流將更大。

　　此外，屏蔽層、接線和大有可能構成閉合環路，變化磁場作用下，屏蔽層內有會出現感應電流，屏蔽層與芯線之間耦合，干擾信號回路。若系統它接處理混亂，所產生環流就可能線上產生不等電位分布，影響PLC內邏輯電路和模擬電路正常工作。PLC工作邏輯電壓干擾容限較低，邏輯電位分布干擾容易影響PLC邏輯運算和數據存貯，造成數據混亂、程序跑飛或死機。模擬電位分布將導致測量精度下降，引起對信號測控嚴重失真和誤動作。

　　2.2.3 來自PLC系統內部干擾

　　主要由系統內部元器件及電路間相互電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路影響，模擬與邏輯相互影響及元器件間相互不匹配使用等。這都屬于PLC制造廠對系統內部進行電磁兼容設計內容，比較復雜，作為應用部門是無法改變，可不多考慮，但要選擇具有較多應用實績或考驗系統。

　　3 PLC控制系統工程應用抗干擾設計

　　保證系統工業電磁環境中免受或減少內外電磁干擾，必須從設計階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源；切斷或衰減電磁干擾傳播途徑；提高裝置和系統抗力。這三點就是抑制電磁干擾基本原則。

　　PLC控制系統抗干擾是一個系統工程，要求制造單位設計生產出具有較強抗力產品，且有賴于使用部門工程設計、安裝施工和運行維護中予以**考慮，并結合具有情況進行綜合設計，才能保證系統電磁兼容性和運行可靠性。進行具體工程抗干擾設計時，應主要以下兩個方面。

　　3.1 設備選型

　　選擇設備時，首先要選擇有較高抗力產品，其包括了電磁兼容性（EMC），尤其是抗外部力，如采用浮技術、隔離性能好PLC系統；其次還應了解生產廠給出抗干擾指標，如共模擬制比、差模擬制比，耐壓能力、允許多大電場強度和多高頻率磁場強度環境中工作；另外是靠考查其類似工作中應用實績。

　　選擇國外進口產品要注意：我國是采用220V高內阻電網制式，而歐美區是110V低內阻電網。我國電網內阻大，零點電位漂移大，電位變化大，工業企業現場電磁干擾至少要比歐美區高4倍以上，對系統抗干擾性能要求更高，國外能正常工作PLC產品國內工業就不一定能可靠運行，這就要采用國外產品時，按我國標準（GB/T13926）合理選擇。

　　3.2 綜合抗干擾設計

　　主要考慮來自系統外部幾種抑制措施。主要內容包括：對PLC系統及外引線進行屏蔽空間輻射電磁干擾；對外引線進行隔離、濾波，特別是原理動力電纜，分層布置，外引線引入傳導電磁干擾；正確設計接點和接裝置，完善接系統。另外還必須利用軟件手段，進一步提高系統安全可靠性。

　　4 主要抗干擾措施

　　4.1 采用性能優良電源，抑制電網引入干擾

　　PLC控制系統中，電源占有極重要位。電網干擾串入PLC控制系統主要PLC系統供電電源（如CPU 電源、I/O電源等）、變送器供電電源和與PLC系統具有直接電氣連接儀表供電電源等耦合進入。現，PLC系統供電電源，一般都采用隔離性能較好電源，而變送器供電電源和PLC系統有直接電氣連接儀表供電電源，并沒受到足夠重視，采取了一定隔離措施，但普遍還不夠，主使用隔離變壓器分布參數大，抑制力差，經電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。，變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術）配電器，以減少PLC系統干擾。

　　此外，位保證電網饋點不中斷，可采用線式不間斷供電電源（UPS）供電，提高供電安全可靠性。UPS還具有較強干擾隔離性能，是一種PLC控制系統理想電源。

　　4.2 電纜選擇敖設

　　減少動力電纜輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜。筆者某工程中，采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，降低了動力線生產電磁干擾，該工程投產后取了滿意效果。

　　不同類型信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應按傳輸信號種類分層敖設，嚴禁用同一電纜不同導線同時傳送動力電源和信號，避免信號線與動力電纜靠**行敖設，以減少電磁干擾。

　　4.3 硬件濾波及軟件抗措施

　　信號接入計算機前，信號線與間并接電容，以減少共模干擾；信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

　　電磁干擾復雜性，要根本消除迎接干擾影響是不可能，PLC控制系統軟件設計和組態時，還應軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統可靠性。常用一些措施：數字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾；定時校正參考點電位，并采用動態零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術，設計相應軟件標志位；采用間接跳轉，設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。

　　4.4 正確選擇接點，完善接系統

　　接目通常有兩個，其一安全，其二是抑制干擾。完善接系統是PLC控制系統抗電磁干擾重要措施之一。

　　系統接方式有：浮方式、直接接方式和電容接三種方式。對PLC控制系統而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接方式。信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等影響，裝置之間信號交換頻率一般都低于1MHz，PLC控制系統接線采用一點接和串聯一點接方式。集中布置PLC系統適于并聯一點接方式，各裝置柜體中心接點以單獨接線引向接極。裝置間距較大，應采用串聯一點接方式。用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置柜體中心接點，然后將接母線直接連接接極。接線采用截面大于22mm2銅導線，總母線使用截面大于60mm2銅排。接極接電阻小于2Ω，接極*好埋距建筑物10 ~ 15m遠處，PLC系統接點必須與強電設備接點相距10m以上。 信號源接時，屏蔽層應信號側接；不接時，應PLC側接；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接；多個測點信號屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經絕緣處理。選擇適當接處單點接點。

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