可編程序控制器系統(tǒng)的抗干擾及措施

1、可編程控制器（以下稱PLC）是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動化控制的設(shè)備。盡管其制造廠采取了一些措施，使得它的可靠性較高，但還有許多外部因素也會使它產(chǎn)生 干擾，造成程序誤變或運算錯誤，從而產(chǎn)生誤輸入井引起誤輸出，這將會造成設(shè)備的失控和誤動作。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家用提 高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面，要求工程設(shè)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，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。隨著PLC應(yīng) 用的日漸廣泛，其抗干擾問題也顯得日益重要。本文就此問題提出一些抗干擾的措施。 一、 控制系統(tǒng)中干擾及其來源 1、 干擾源及一般分類 影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源與一般

2、影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源。 干 擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的 波形、性質(zhì)不同，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)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的分類方法。共模干擾是信號 對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)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(tǒng)I/

3、O模件損壞率較高的主要原因），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的干擾 電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，這種干擾疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。 2、 PLC系統(tǒng)中干擾的主要來源及途徑 （1）來自空間的輻射干干擾 空 間的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極 為復(fù)雜。若PLC系統(tǒng)置于所射頻場內(nèi)，就回收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；而是對PLC通信內(nèi) 網(wǎng)絡(luò)的輻射

4、，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓 泄放元件進行保護。 （2）來自系統(tǒng)外引線的干擾 主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國工 業(yè)現(xiàn)場較嚴(yán)重。 a 來自電源的干擾 PLC 系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，入開關(guān)操作浪涌、大型 電力設(shè)備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過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(gòu)及制造工藝因素使其隔 離性并不理想。實際

5、上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。 b 來自信號線引入的干擾 與 PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀 表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾，這是很嚴(yán)重的。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(yán)重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤 動和死機。PLC控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重，由此

6、引起系統(tǒng)故障的情況也很多。 c 來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾 接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴(yán)重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。 PLC 控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地 環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊 時，地線電流將更大。 此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成

7、閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)有會出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過 屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的 正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分 布將導(dǎo)致測量精度下降，引起對信號測控的嚴(yán)重失真和誤動作。 （3）來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾 主要 由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯 電路相互輻射及其對模擬電路 的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬

8、于PLC制造廠對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門是無法改變，可不必過多考慮，但要選擇具有較多應(yīng)用實績或經(jīng)過考驗的系統(tǒng)。 三、主要抗干擾措施 1、采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾 在 PLC控制系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源（如CPU 電源、I/O電源等）、變送器供電電源和 與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的?，F(xiàn)在，對于PLC系統(tǒng)供電的電源，一般都采用隔離性能較好電源，而對于變送器供電的電源和 PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源，并沒受到足夠的重視，雖然采取了一定的隔離措施，但普遍還不夠，

9、主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大，抑制干擾 能力差，經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以，對于變送器和共用信號儀表供電應(yīng)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(shù)）的配電 器，以減少PLC系統(tǒng)的干擾。 此外，位保證電網(wǎng)饋點不中斷，可采用在線式不間斷供電電源（UPS）供電，提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強的干擾隔離性能，是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源。 2、電纜選擇的敖設(shè) 為了減少動力電纜輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜。筆者在某工程中，采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，從而降低了動力線生產(chǎn)的電磁干擾，該工程投產(chǎn)后取得了滿意的效果。 不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信

10、號電纜應(yīng)按傳輸信號種類分層敖設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時傳送動力電源和信號，避免信號線與動力電纜靠近平行敖設(shè)，以減少電磁干擾。 3、 硬件濾波及軟件抗如果措施 由 于電磁干擾的復(fù)雜性，要根本消除迎接干擾影響是不可能的，因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和組態(tài)時，還應(yīng)在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統(tǒng)的可靠 性。常用的一些措施：數(shù)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(tài)零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù)，設(shè)計 相應(yīng)的軟件標(biāo)志位；采用間接跳轉(zhuǎn)，設(shè)置軟件陷阱等提高軟件結(jié)構(gòu)可靠性。 信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極間

11、加裝濾波器可減少差模干擾。 對干較低信噪比的模擬量信號常因現(xiàn)場瞬時干擾而產(chǎn)生較大波動，若僅用瞬時采樣植進行控制計算會產(chǎn)生較大誤差，為此可采用數(shù)字濾波 方法。 現(xiàn) 場模擬量信號經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換后變成離散的數(shù)字信號，然后將形成的數(shù)據(jù)按時間序列存入PLC內(nèi)存。再利用數(shù)字濾波程序?qū)ζ溥M行處理，濾去噪聲部分獲得單純信 號， 可對輸入信號用m次采樣值的平均值來代替當(dāng)前值，但井不是通常的每采樣。次求一次平均值，而是每采樣一次就與最近的ml次歷史采樣值相加，此方法 反應(yīng)速度快，具有很好的實時性，輸入信號經(jīng)過處理后用干信號顯示或回路調(diào)節(jié)，有效地抑制了噪聲干擾。 由干工業(yè)環(huán)境惡劣，干擾信號較多， I O信號傳送距離較

12、長，常常會使傳送的信號有誤。為提高系統(tǒng)運行的可靠性，使PLC在信號出錯倩況下能及時發(fā)現(xiàn)錯誤，并能排除錯誤的影響繼續(xù)工作，在程序編制中可采用軟件容錯技術(shù)。 4、正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng) 接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。 系 統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和 輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯(lián)一點接地方式。集中布置的PLC系統(tǒng)適于 并聯(lián)一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應(yīng)采用串聯(lián)一點接地方式。用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接 各裝置的柜體中心接地點，然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于22 mm2的銅導(dǎo)線，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電 阻小于2，接地極最好埋在距建筑物10 15m遠(yuǎn)處(或與控制器間不大于50m，而且PLC系統(tǒng)接地點必須與強電設(shè)備接地點相距10m以上。 信 號源接地時，屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地；不接地時，應(yīng)在PLC側(cè)接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信 號