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(lái)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(chǎng)、電源、信號(hào)線、接地等）的干擾；并且通過分析產(chǎn)生干擾的原因，提出了解決主要抗干擾措施。關(guān)鍵詞：PLC;控制系統(tǒng)；干擾類型隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PLC作為一種自動(dòng)化程度高、配置靈活的工業(yè)生產(chǎn)過程控制裝置，因?yàn)槠浔旧淼母呖煽啃浴⒃试S在較為惡劣的環(huán)境下工作而在自動(dòng)控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于受到現(xiàn)場(chǎng)條件所限，工業(yè)控制系統(tǒng)的各類PLC大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，電磁干擾極其嚴(yán)重，對(duì)PLC控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行極其不利，因此，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家

2、提高設(shè)備的抗干擾能力，另一方面要求使用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)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(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。因此，研究PLC控制系統(tǒng)干擾信號(hào)的來(lái)源、成因及抑制措施，對(duì)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(shè)備時(shí)，首先要選擇有高效抗干擾能力的產(chǎn)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(shù)、隔離性能較好的PLC系統(tǒng)；監(jiān)控信號(hào)在接入PLC前，在信號(hào)線與地之間并接電容，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。；另外要考察其在類似工作環(huán)境中的應(yīng)用實(shí)績(jī)。在選擇國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品要注意：我國(guó)是采

3、用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)制式。由于我國(guó)電網(wǎng)內(nèi)阻大，零點(diǎn)電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上，對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能要求更高，在國(guó)外能正常工作的PLC產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)不一定能可靠運(yùn)行，這就要在采用國(guó)外產(chǎn)品時(shí)，按我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13926）合理選擇。另外，在干擾多的場(chǎng)合，安裝在控制對(duì)象側(cè)的I/0模塊要使用絕緣型的I/0模塊；在干擾相對(duì)較小的場(chǎng)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(jìn)人控制系統(tǒng)，但由于干擾存在隨機(jī)性，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)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(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。(1)利用“看門狗”方法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控PLC內(nèi)部具有豐富的軟元件，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等，利用它們來(lái)設(shè)計(jì)一些程序，可以屏蔽輸入元件的誤信號(hào)，防止輸出元件的誤動(dòng)作。在設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時(shí)，可以利用“看門狗”方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各組成部分運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。如用PLC控制某一運(yùn)動(dòng)部件時(shí)，編程時(shí)可定義一個(gè)定時(shí)器作“看門狗”用，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。定時(shí)器的設(shè)定值，為運(yùn)動(dòng)部件所需要的最大可能時(shí)間。在發(fā)出該部件的動(dòng)作指令時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)“看門狗”定時(shí)器。若運(yùn)動(dòng)部件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到指定位置，發(fā)出一個(gè)

5、動(dòng)作完成信號(hào)，使定時(shí)器清零，說明監(jiān)控對(duì)象工作正常；否則，說明監(jiān)控對(duì)象工作不正常，發(fā)出報(bào)警或停止工作信號(hào)。消抖在振動(dòng)環(huán)境中.行程開關(guān)或按鈕常常會(huì)因?yàn)槎秳?dòng)而發(fā)出誤信號(hào).一般的抖動(dòng)時(shí)間都比較短，針對(duì)抖動(dòng)時(shí)間短的特點(diǎn)，可用PLC內(nèi)部計(jì)時(shí)器經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)，得到消除抖動(dòng)后的可靠有效信號(hào)，從而達(dá)到抗干擾的目的。(3)用軟件數(shù)字濾波的方法提高輸入信號(hào)的信噪比為了提高輸人信號(hào)的信噪比，常采用軟件數(shù)字濾波來(lái)提高有用信號(hào)真實(shí)性。對(duì)于有大幅度隨機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它幾次采樣的幅值，那么就舍去之。對(duì)于流量、壓力、液面、位移等參數(shù)，往往會(huì)在一定范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)，則采用算

6、術(shù)平均法。即用n次采樣的平均值來(lái)代替當(dāng)前值。一般認(rèn)為：流量n=12,壓力n=4最合適。對(duì)于緩慢變化信號(hào)如溫度參數(shù)，可連續(xù)三次采樣，選取居中的采樣值作為有效信號(hào)。對(duì)于具有積分器A/D轉(zhuǎn)換來(lái)說，采樣時(shí)間應(yīng)取工頻周期(20ms)的整數(shù)倍。由于軟件抗干擾方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、修改靈活、耗費(fèi)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(lái)，國(guó)內(nèi)外的很多標(biāo)準(zhǔn)不主張信息設(shè)備采用獨(dú)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(chǔ)做接地極，其接地電阻一般在1歐姆以下，如有設(shè)備對(duì)接地電阻的要求更低，應(yīng)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(gè)，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(duì)PLC控制系統(tǒng)而言，它屬于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)接地線采用一點(diǎn)接地和用聯(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（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點(diǎn)，然后將接地母線直接連接

8、接地極，接地線采用截面大于22mm2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2Q,接地極最好埋在距建筑物1015m遠(yuǎn)處，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)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞總屏蔽電纜連接時(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)接地。至于電磁干擾方面：如果車間內(nèi)有個(gè)大功率的變頻器，可以在PLC電源的前端加裝一個(gè)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(duì)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(xiàn)場(chǎng)較為常見。控制系統(tǒng)一般由電網(wǎng)電源供電，電網(wǎng)的波動(dòng)、大功率用甫設(shè)備啟停、交直流傳動(dòng)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(cè)。電源干擾主要來(lái)自兩個(gè)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jí)繞組

10、和次級(jí)繞組分別加屏蔽層，并將屏蔽層可靠接地，對(duì)抑制電網(wǎng)干擾信號(hào)有較好效果。同時(shí)，二次側(cè)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(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)可防止將設(shè)備本身所產(chǎn)生的干擾傳導(dǎo)給電源，濾波器還兼有尖峰電壓吸收功能。在干擾嚴(yán)重場(chǎng)合，常常同時(shí)使用隔離變壓器和濾波器。需要注意的是，應(yīng)先把濾波器接人電源，然后再使用隔離變壓器。(3)對(duì)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(yīng)選擇分布電容小、隔離效果好的配電器，以減小對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾。(4)在重要的PLC控制系統(tǒng)中，為保證電網(wǎng)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(qiáng)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(chǎng)(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(wú)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)置于其射頻場(chǎng)內(nèi)，就會(huì)受到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對(duì)PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路感應(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)大小和頻率有關(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(jìn)行保護(hù)。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(dòng)化設(shè)備損壞的情況比較常見，在實(shí)踐中，可以采用等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、保護(hù)隔離、合理布線和裝設(shè)防雷裝置等措施，進(jìn)行全方位的防雷保護(hù)。其中最簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的措施是在PLC前端裝設(shè)浪涌保護(hù)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(hào)線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾，這種干擾在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中較為普遍，主要有以下三類：第一類是來(lái)自電源的干擾。實(shí)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(wǎng)供電，由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，受到所在空間的電磁干擾而在線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流，尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的波動(dòng)、開關(guān)操作產(chǎn)生的浪涌、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

13、暫態(tài)沖擊等，都會(huì)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(jié)構(gòu)等因素使其隔離性能并不理想，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。第二類是來(lái)自信號(hào)線引入的干擾。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號(hào)控制線，除了傳輸各類監(jiān)控信號(hào)之外，還會(huì)有外部干擾信號(hào)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(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾；二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)產(chǎn)生的干擾，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾，這種干擾通常比常嚴(yán)重。由信號(hào)線引入的干擾會(huì)引起I/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大幅降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損壞。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)之間互相干

14、擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)作甚至死機(jī)。PLC控制系統(tǒng)因信號(hào)引入干擾造成I/O模塊損壞嚴(yán)重，并由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。第三類是來(lái)自接地系統(tǒng)混亂的干擾。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)無(wú)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(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

15、電位差，有電流流過屏蔽層。當(dāng)發(fā)生異常狀況如雷擊時(shí)，地線電流將更大。止匕外，屏蔽層、接地線和大地可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)會(huì)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(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)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)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(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)監(jiān)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作。七、本文小結(jié)PLC控制系統(tǒng)的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，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