PLC控制系統(tǒng)抗干擾的措施及方法

1、PLC控制系統(tǒng)抗干擾的措施及方法摘要：介紹PLC控制系統(tǒng)在不同的工業(yè)環(huán)境中受到來自系統(tǒng)本身（包含PLC硬件及軟件）以及外界（包含空間輻射電磁場、電源、信號線、接地等）的干擾；并且通過分析產生干擾的原因，提出了解決主要抗干擾措施。關鍵詞：PLC;控制系統(tǒng)；干擾類型隨著科學技術的發(fā)展，PLC作為一種自動化程度高、配置靈活的工業(yè)生產過程控制裝置，因為其本身的高可靠性、允許在較為惡劣的環(huán)境下工作而在自動控制領域中得到廣泛應用。由于受到現場條件所限，工業(yè)控制系統(tǒng)的各類PLC大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，電磁干擾極其嚴重，對PLC控制系統(tǒng)可靠運行極其不利，因此，一方面要求PLC生產廠家

2、提高設備的抗干擾能力，另一方面要求使用部門在工程設計、安裝調試和運行維護過程中采取抗干擾措施，雙方配合才能妥善解決問題，有效增強系統(tǒng)的抗干擾性能。因此，研究PLC控制系統(tǒng)干擾信號的來源、成因及抑制措施，對于提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性具有重要作用。一、提高PLC硬件抗干擾能力在選擇設備時，首先要選擇有高效抗干擾能力的產品，其中包括了電磁兼容性。尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術、隔離性能較好的PLC系統(tǒng)；監(jiān)控信號在接入PLC前，在信號線與地之間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。；另外要考察其在類似工作環(huán)境中的應用實績。在選擇國外進口產品要注意：我國是采

3、用220V高內阻電網制式，而歐美地區(qū)是110V低內阻電網制式。由于我國電網內阻大，零點電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現場的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上，對系統(tǒng)抗干擾性能要求更高，在國外能正常工作的PLC產品在國內不一定能可靠運行，這就要在采用國外產品時，按我國的標準（GB/T13926）合理選擇。另外，在干擾多的場合，安裝在控制對象側的I/0模塊要使用絕緣型的I/0模塊；在干擾相對較小的場合，可使用非絕緣型的I/O模塊。二、提高PLC軟件抗干擾能力硬件抗干擾措施的目的是盡可能地切斷干擾進人控制系統(tǒng)，但由于干擾存在隨機性，尤其是在工業(yè)生產環(huán)境下，硬件抗干擾措施并不能根本消除干擾影響是不

4、可能的，因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設計和組態(tài)時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。(1)利用“看門狗”方法對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控PLC內部具有豐富的軟元件，如定時器、計數器、輔助繼電器等，利用它們來設計一些程序，可以屏蔽輸入元件的誤信號，防止輸出元件的誤動作。在設計應用程序時，可以利用“看門狗”方法實現對系統(tǒng)各組成部分運行狀態(tài)的監(jiān)控。如用PLC控制某一運動部件時，編程時可定義一個定時器作“看門狗”用，對運動部件的工作狀態(tài)進行監(jiān)視。定時器的設定值，為運動部件所需要的最大可能時間。在發(fā)出該部件的動作指令時，同時啟動“看門狗”定時器。若運動部件在規(guī)定時間內達到指定位置，發(fā)出一個

5、動作完成信號，使定時器清零，說明監(jiān)控對象工作正常；否則，說明監(jiān)控對象工作不正常，發(fā)出報警或停止工作信號。消抖在振動環(huán)境中.行程開關或按鈕常常會因為抖動而發(fā)出誤信號.一般的抖動時間都比較短，針對抖動時間短的特點，可用PLC內部計時器經過一定時間的延時，得到消除抖動后的可靠有效信號，從而達到抗干擾的目的。(3)用軟件數字濾波的方法提高輸入信號的信噪比為了提高輸人信號的信噪比，常采用軟件數字濾波來提高有用信號真實性。對于有大幅度隨機干擾的系統(tǒng)，采用程序限幅法，即連續(xù)采樣五次，若某一次采樣值遠遠大于其它幾次采樣的幅值，那么就舍去之。對于流量、壓力、液面、位移等參數，往往會在一定范圍內頻繁波動，則采用算

6、術平均法。即用n次采樣的平均值來代替當前值。一般認為：流量n=12,壓力n=4最合適。對于緩慢變化信號如溫度參數，可連續(xù)三次采樣，選取居中的采樣值作為有效信號。對于具有積分器A/D轉換來說，采樣時間應取工頻周期(20ms)的整數倍。由于軟件抗干擾方法設計簡單、修改靈活、耗費資源少，因此，還有更多的方法有待編程人員不斷的開發(fā)更新。三、提高PLC接地抗干擾能力近年來，國內外的很多標準不主張信息設備采用獨立的接地裝置，推薦采用共用接地系統(tǒng)。共用接地系統(tǒng)通常利用建筑物的基礎做接地極，其接地電阻一般在1歐姆以下，如有設備對接地電阻的要求更低，應取其最小值。PLC接地電里.一般不大于4歐姆，這種接地方式很

7、容易滿足接她電阻要求。接地的目的通常有兩個，一是為了安全，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)接地有浮地、直接接地和電容接地三種方式，對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬于高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。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用聯(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

8、接地極，接地線采用截面大于22mm2的銅導線，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻小于2Q,接地極最好埋在距建筑物1015m遠處，而且PLC系統(tǒng)接地點必須與強電設備接地點相距10m以上。信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地；不接地時，應在PLC側接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地。多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經絕緣處理，選擇適當的接地處單點接地。至于電磁干擾方面：如果車間內有個大功率的變頻器，可以在PLC電源的前端加裝一個單相電源濾波器；另外，在變頻器后端安裝輸出電抗器，并且采用變頻專用電纜

9、，可大大降低變頻器對外界的干擾。四、提高PLC電源抗干擾能力在PLC控制系統(tǒng)中，電源占有極為重要的地位。由電源引人的干擾在工業(yè)現場較為常見?？刂葡到y(tǒng)一般由電網電源供電，電網的波動、大功率用甫設備啟停、交直流傳動裝置引起的諧波等，都通過輸電線路傳到控制系統(tǒng)電源一側。電源干擾主要來自兩個方面：一是通過PLC系統(tǒng)的供電電源直接用入，如CPU電源、I/O模塊電源等；二是通過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。抑制電源干擾一般可采取如下措施：(1)PLC電源通常采用隔離電源。但因其結構及制造工藝等因素使其隔離效果并不理想，故在PLC電源輸人端使用隔離變壓器，其初級繞組

10、和次級繞組分別加屏蔽層，并將屏蔽層可靠接地，對抑制電網干擾信號有較好效果。同時，二次側接線使用雙絞線，能有效減少電源線間干擾。(2)使用濾波器。濾波器具有較強的抗干擾能力，同時可防止將設備本身所產生的干擾傳導給電源，濾波器還兼有尖峰電壓吸收功能。在干擾嚴重場合，常常同時使用隔離變壓器和濾波器。需要注意的是，應先把濾波器接人電源，然后再使用隔離變壓器。(3)對于變送器和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源，應選擇分布電容小、隔離效果好的配電器，以減小對PLC系統(tǒng)的干擾。(4)在重要的PLC控制系統(tǒng)中，為保證電網饋電不中斷，可采用在線式不問斷供電電源(UPS)供電，提高供電的安全可靠性，而且

11、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。五、提高PLC空間的輻射抗干擾能力空間輻射電磁場(EMI)主要是由電力網絡、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。若PLC系統(tǒng)置于其射頻場內，就會受到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾；二是對PLC通信網絡的輻射，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的電磁場大小和頻率有關，一般通過設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。在工業(yè)環(huán)境中，其雷電干擾尤為突出，由雷擊引起的浪涌使PLC或其

12、他自動化設備損壞的情況比較常見，在實踐中，可以采用等電位聯(lián)結、屏蔽、保護隔離、合理布線和裝設防雷裝置等措施，進行全方位的防雷保護。其中最簡便、經濟的措施是在PLC前端裝設浪涌保護裝置。六、提高PLC系統(tǒng)外引線抗干擾能力主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導干擾，這種干擾在我國工業(yè)生產中較為普遍，主要有以下三類：第一類是來自電源的干擾。實踐表明，因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多，PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網供電，由于電網覆蓋范圍廣，受到所在空間的電磁干擾而在線路上產生感應電壓和電流，尤其是電網內部的波動、開關操作產生的浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路

13、暫態(tài)沖擊等，都會通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但因制造工藝及結構等因素使其隔離性能并不理想，實際上，由于分布參數特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。第二類是來自信號線引入的干擾。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號控制線，除了傳輸各類監(jiān)控信號之外，還會有外部干擾信號侵入。此類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干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應產生的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這種干擾通常比常嚴重。由信號線引入的干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大幅降低，嚴重時將引起元器件損壞。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導致信號之間互相干

14、擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數據變化、誤動作甚至死機。PLC控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I/O模塊損壞嚴重，并由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。第三類是來自接地系統(tǒng)混亂的干擾。接地是提高電子設備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一，正確的接地既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)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

15、電位差，有電流流過屏蔽層。當發(fā)生異常狀況如雷擊時，地線電流將更大。止匕外，屏蔽層、接地線和大地可能構成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內會出現感應電流，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，所產生的地環(huán)流就可能在地線上產生不等電位分布，影響PLC內部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的邏輯運算和數據存貯，造成數據混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降，引起對信號監(jiān)控的嚴重失真和誤動作。七、本文小結PLC控制系統(tǒng)的干擾是一個十分復雜的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制