PLC控制系统应用的抗干扰问题

分析了电磁干扰及其对PLC控制系统干扰机制，指出工程应用时必须综合考虑控制系统抗干扰性能，并结合工程提出了几种有效抗干扰措施。

　　1 概述

　　科学技术发展，PLC工业控制中应用越来越广泛。PLC控制系统可靠性直接影响到工业企业安全生产和经济运行，系统抗力是关系到整个系统可靠运行关键。自动化系统中所使用各种类型PLC，有是集中安装控制室，有是安装生产现场和各电机设备上，它们大多处强电电路和强电设备所形成恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，要求PLC生产厂家用提高设备抗力；另，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效增强系统抗干扰性能。

　　2 电磁干扰源及对系统干扰

　　2.1 干扰源及干扰一般分类

　　影响PLC控制系统干扰源与一般影响工业控制设备干扰源一样，大都产生电流或电压剧烈变化部位，这些电荷剧烈移动部位就是噪声源，即干扰源。

　　干扰类型通常按干扰产生原因、噪声干扰模式和噪声波形性质不同划分。其中：按噪声产生原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用分类方法。共模干扰是信号对电位差，主要由电网串入、电位差及空间电磁辐射信号线上感应共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压较大，特别是采用隔离性能差配电器供电室，变送器输出信号共模电压普遍较高，有可高达130V以上。共模电压不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间干扰电压，主要由空间电磁场信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成电压，这种让直接叠加信号上，直接影响测量与控制精度。

　　2.2 PLC控制系统中电磁干扰主要来源

　　2.2.1 来自空间辐射干干扰

　　空间辐射电磁场（EMI）主由电力网络、电气设备暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要两条路径：一是直接对PLC内部辐射，由电路感应产生干扰；对PLC通信内网络辐射，由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生电磁场大小，特别是频率有关，一般设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

　　2.2.2 来自系统外引线干扰

　　主要电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰我国工业现场较严重。

　　（1）来自电源干扰

　　实践证明，因电源引入干扰造成PLC控制系统故障情况很多，笔者某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高PLC电源，问题才到解决。

　　PLC系统正常供电电源均由电网供电。电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而线路上感应电压和电路。尤其是电网内部变化，入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起谐波、电网短路暂态冲击等，都输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，分布参数特别是分布电容存，优良隔离是不可能。

　　（2）来自信号线引入干扰

　　与PLC控制系统连接各类信号传输线，传输有效各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是变送器供电电源或共用信号仪表供电电源串入电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应干扰，即信号线上外部感应干扰，这是很严重。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。隔离性能差系统，还将导致信号间互相干扰，引起共系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障情况也很多。

　　（3）来自接系统混乱时干扰

　　接是提高电子设备电磁兼容性（EMC）有效手段之一。正确接，既能抑制电磁干扰影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误接，会引入严重干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

　　PLC控制系统线包括系统、屏蔽、交流和保护等。接系统混乱对PLC系统干扰主各个接点电位分布不均，不同接点间存电位差，引起环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接，电缆屏蔽层两端A、B都接，就存电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，线电流将更大。

　　此外，屏蔽层、接线和大有可能构成闭合环路，变化磁场作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，屏蔽层与芯线之间耦合，干扰信号回路。若系统它接处理混乱，所产生环流就可能线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路正常工作。PLC工作逻辑电压干扰容限较低，逻辑电位分布干扰容易影响PLC逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟电位分布将导致测量精度下降，引起对信号测控严重失真和误动作。

　　2.2.3 来自PLC系统内部干扰

　　主要由系统内部元器件及电路间相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路影响，模拟与逻辑相互影响及元器件间相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不多考虑，但要选择具有较多应用实绩或考验系统。

　　3 PLC控制系统工程应用抗干扰设计

　　保证系统工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰传播途径；提高装置和系统抗力。这三点就是抑制电磁干扰基本原则。

　　PLC控制系统抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗力产品，且有赖于使用部门工程设计、安装施工和运行维护中予以**考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统电磁兼容性和运行可靠性。进行具体工程抗干扰设计时，应主要以下两个方面。

　　3.1 设备选型

　　选择设备时，首先要选择有较高抗力产品，其包括了电磁兼容性（EMC），尤其是抗外部力，如采用浮技术、隔离性能好PLC系统；其次还应了解生产厂给出抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许多大电场强度和多高频率磁场强度环境中工作；另外是靠考查其类似工作中应用实绩。

　　选择国外进口产品要注意：我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美区是110V低内阻电网。我国电网内阻大，零点电位漂移大，电位变化大，工业企业现场电磁干扰至少要比欧美区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，国外能正常工作PLC产品国内工业就不一定能可靠运行，这就要采用国外产品时，按我国标准（GB/T13926）合理选择。

　　3.2 综合抗干扰设计

　　主要考虑来自系统外部几种抑制措施。主要内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是原理动力电缆，分层布置，外引线引入传导电磁干扰；正确设计接点和接装置，完善接系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统安全可靠性。

　　4 主要抗干扰措施

　　4.1 采用性能优良电源，抑制电网引入干扰

　　PLC控制系统中，电源占有极重要位。电网干扰串入PLC控制系统主要PLC系统供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接仪表供电电源等耦合进入。现，PLC系统供电电源，一般都采用隔离性能较好电源，而变送器供电电源和PLC系统有直接电气连接仪表供电电源，并没受到足够重视，采取了一定隔离措施，但普遍还不够，主使用隔离变压器分布参数大，抑制力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。，变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）配电器，以减少PLC系统干扰。

　　此外，位保证电网馈点不中断，可采用线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电安全可靠性。UPS还具有较强干扰隔离性能，是一种PLC控制系统理想电源。

　　4.2 电缆选择敖设

　　减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。笔者某工程中，采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，降低了动力线生产电磁干扰，该工程投产后取了满意效果。

　　不同类型信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠**行敖设，以减少电磁干扰。

　　4.3 硬件滤波及软件抗措施

　　信号接入计算机前，信号线与间并接电容，以减少共模干扰；信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。

　　电磁干扰复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能，PLC控制系统软件设计和组态时，还应软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统可靠性。常用一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。

　　4.4 正确选择接点，完善接系统

　　接目通常有两个，其一安全，其二是抑制干扰。完善接系统是PLC控制系统抗电磁干扰重要措施之一。

　　系统接方式有：浮方式、直接接方式和电容接三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接方式。信号电缆分布电容和输入装置滤波等影响，装置之间信号交换频率一般都低于1MHz，PLC控制系统接线采用一点接和串联一点接方式。集中布置PLC系统适于并联一点接方式，各装置柜体中心接点以单独接线引向接极。装置间距较大，应采用串联一点接方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置柜体中心接点，然后将接母线直接连接接极。接线采用截面大于22mm2铜导线，总母线使用截面大于60mm2铜排。接极接电阻小于2Ω，接极*好埋距建筑物10 ~ 15m远处，PLC系统接点必须与强电设备接点相距10m以上。 信号源接时，屏蔽层应信号侧接；不接时，应PLC侧接；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接；多个测点信号屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当接处单点接点。

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