可編程序控制器系統(tǒng)的抗干擾及措施

可編程控制器（以下稱(chēng)PLC）是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)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(huì)使它產(chǎn)生干擾，造成程序誤變或運(yùn)算錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生誤輸入井引起誤輸出，這將會(huì)造成設(shè)備的失控和誤動(dòng)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(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中引起高度重視，多方配合才能完善解決問(wèn)題，有效地增強(qiáng)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(wèn)題也顯得日益重要。本文就此問(wèn)題提出一些抗干擾的措施。

一、控制系統(tǒng)中干擾及其來(lái)源

1、干擾源及一般分類(lèi)

影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(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(dòng)的部位就是噪聲源，即干擾源。

干擾類(lèi)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(lèi)方法。共模干擾是信號(hào)對(duì)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(hào)線(xiàn)上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。

共模電壓通過(guò)不對(duì)稱(chēng)電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng)I/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(hào)兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)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(hào)上，直接影響測(cè)量與控制精度。

2、PLC系統(tǒng)中干擾的主要來(lái)源及途徑

（1）來(lái)自空間的輻射干干擾

空間的輻射電磁場(chǎng)（EMI）主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線(xiàn)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(chēng)為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。若PLC系統(tǒng)置于所射頻場(chǎng)內(nèi)，就回收到輻射干擾，其影響主要通過(guò)兩條路徑：一是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；而是對(duì)PLC通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線(xiàn)路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過(guò)設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù)。

（2）來(lái)自系統(tǒng)外引線(xiàn)的干擾

主要通過(guò)電源和信號(hào)線(xiàn)引入，通常稱(chēng)為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較嚴(yán)重。

a來(lái)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(xiàn)路上感應(yīng)電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，入開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過(guò)輸電線(xiàn)路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但其機(jī)構(gòu)及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實(shí)際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對(duì)隔離是不可能的。

b來(lái)自信號(hào)線(xiàn)引入的干擾

與PLC控制系統(tǒng)連接的各類(lèi)信號(hào)傳輸線(xiàn)，除了傳輸有效的各類(lèi)信息之外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。

此干擾主要有兩種途徑：一是通過(guò)變送器供電電源或共用信號(hào)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(hào)線(xiàn)受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號(hào)線(xiàn)上的外部感應(yīng)干擾，這是很?chē)?yán)重的。由信號(hào)引入干擾會(huì)引起I/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線(xiàn)回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)和死機(jī)。PLC控制系統(tǒng)因信號(hào)引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。

c 來(lái)自接地系統(tǒng)混亂時(shí)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(cuò)誤的接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使PLC系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。

PLC控制系統(tǒng)的地線(xiàn)包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)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(diǎn)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(guò)屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí)，地線(xiàn)電流將更大。

此外，屏蔽層、接地線(xiàn)和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)有會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過(guò)屏蔽層與芯線(xiàn)之間的耦合，干擾信號(hào)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(xiàn)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(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī)。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作。

（3）來(lái)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(duì)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。這都屬于PLC制造廠對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的內(nèi)容，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門(mén)是無(wú)法改變，可不必過(guò)多考慮，但要選擇具有較多應(yīng)用實(shí)績(jī)或經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的系統(tǒng)。

二、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(guò)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(jìn)入的?，F(xiàn)在，對(duì)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(duì)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(méi)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，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(duì)于變送器和共用信號(hào)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(diǎn)不中斷，可采用在線(xiàn)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(qiáng)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(dòng)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(dòng)力線(xiàn)生產(chǎn)的電磁干擾，該工程投產(chǎn)后取得了滿(mǎn)意的效果。

不同類(lèi)型的信號(hào)分別由不同電纜傳輸，信號(hào)電纜應(yīng)按傳輸信號(hào)種類(lèi)分層敖設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線(xiàn)同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào)，避免信號(hào)線(xiàn)與動(dòng)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(jì)和組態(tài)時(shí)，還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)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(shí)校正參考點(diǎn)電位，并采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)，可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù)，設(shè)計(jì)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(hào)在接入計(jì)算機(jī)前，在信號(hào)線(xiàn)與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號(hào)兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

對(duì)干較低信噪比的模擬量信號(hào)．常因現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)干擾而產(chǎn)生較大波動(dòng)，若僅用瞬時(shí)采樣植進(jìn)行控制計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大誤差，為此可采用數(shù)字濾波方法。

現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后變成離散的數(shù)字信號(hào)，然后將形成的數(shù)據(jù)按時(shí)間序列存入PLC內(nèi)存。再利用數(shù)字濾波程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理，濾去噪聲部分獲得單純信號(hào)，可對(duì)輸入信號(hào)用m次采樣值的平均值來(lái)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m－l次歷史采樣值相加，此方法反應(yīng)速度快，具有很好的實(shí)時(shí)性，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后用干信號(hào)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(hào)較多， I／ O信號(hào)傳送距離較長(zhǎng)，常常會(huì)使傳送的信號(hào)有誤。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，使PLC在信號(hào)出錯(cuò)倩況下能及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并能排除錯(cuò)誤的影響繼續(xù)工作，在程序編制中可采用軟件容錯(cuò)技術(shù)。

4、正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)
接地的目的通常有兩個(gè)，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(duì)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(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號(hào)交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線(xiàn)采用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線(xiàn)引向接地極。如果裝置間距較大，應(yīng)采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。用一根大截面銅母線(xiàn)（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點(diǎn)，然后將接地母線(xiàn)直接連接接地極。接地線(xiàn)采用截面大于22 mm2的銅導(dǎo)線(xiàn)，總母線(xiàn)使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻小于2Ω，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(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10m以上。

信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地；不接地時(shí)，應(yīng)在PLC側(cè)接地；信號(hào)線(xiàn)中間有接頭時(shí)，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地；多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線(xiàn)與多芯對(duì)絞總屏電纜連接時(shí)，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理。選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c(diǎn)接點(diǎn)。

三、結(jié)束語(yǔ)

以上的措施，經(jīng)若干PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行表明，能夠基本消除現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)的影響，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制抗干擾，對(duì)有些干擾情況還需做具體分析，采取對(duì)癥下藥的方法，才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作。
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