PLC控制系統抗干擾技術(shù)設計策略

    電磁干擾類(lèi)型及其影響

    影響PLC控制系統的干擾源與一般影響工業(yè)控制設備的干擾源一樣，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波形性質(zhì)來(lái)劃分。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，可分為持續噪聲、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(xiàn)上感應的共態(tài)(同方向)電壓迭加所形成。共模電壓有時(shí)較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電時(shí)，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過(guò)不對稱(chēng)電路可轉換成差模電壓，影響測控信號，造成元器件損壞(這就是一些系統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兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)在信號間耦合感應及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的，這種干擾疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。
 
    電磁干擾的主要來(lái)源

    1．來(lái)自空間的輻射干擾?？臻g輻射電磁場(chǎng)(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡(luò )、電氣設備的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線(xiàn)電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產(chǎn)生的，通常稱(chēng)為輻射干擾，其分布極為復雜。若PLC系統置于其射頻場(chǎng)內，就會(huì )受到輻射干擾，其影響主要通過(guò)兩條路徑：一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產(chǎn)生干擾；二是對PLC通信網(wǎng)絡(luò )的輻射，由通信線(xiàn)路感應引入干擾。輻射干擾與現場(chǎng)設備布置及設備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小特別是頻率有關(guān)，一般通過(guò)設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護

    2．來(lái)自系統外引線(xiàn)的干擾。主要通過(guò)電源和信號線(xiàn)引入，通常稱(chēng)為傳導干擾。這種干擾在我國工業(yè)現場(chǎng)較為嚴重，主要有下面三類(lèi)：

    第一類(lèi)是來(lái)自電源的干擾。實(shí)踐證明，因電源引入的干擾造成PLC控制系統故障的情況很多，筆者在某工程調試中遇到過(guò)，后更換隔離性能更高的PLC電源問(wèn)題才得到解決。

    PLC系統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)路上感應電壓和電流，尤其是電網(wǎng)內部的變化、開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設備起停、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，但因其機構及制造工藝等因素使其隔離性并不理想。實(shí)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(lèi)是來(lái)自信號線(xiàn)引入的干擾。與PLC控制系統連接的各類(lèi)信號傳輸線(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(xiàn)受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線(xiàn)上的外部感應干擾，這種往往非常嚴重。

    由信號引入的干擾會(huì )引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時(shí)將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統總線(xiàn)回流，造成邏輯數據變化、誤動(dòng)和死機。PLC控制系統因信號引入干擾造成I/O模件損壞數相當嚴重，由此引起系統故障的情況也很多。

    第三類(lèi)是來(lái)自接地系統混亂的干擾。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(huì )引入嚴重的干擾信號，使PLC系統無(wú)法正常工作。 PLC控制系統的地線(xiàn)包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等，接地系統混亂對PLC系統的干擾主要是各個(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)和大地可能構成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內會(huì )出現感應電流，通過(guò)屏蔽層與芯線(xiàn)之間的耦合，干擾信號回路。若系統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，引起對信號測控的嚴重失真和誤動(dòng)作。

    3．來(lái)自PLC系統內部的干擾。主要由系統內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、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(chǎng)家對系統內部進(jìn)行電磁兼容設計的內容，比較復雜，作為應用部門(mén)無(wú)法改變，可不必過(guò)多考慮，但要選擇具有較多應用實(shí)績(jì)或經(jīng)過(guò)考驗的系統。

    抗干擾設計

    為了保證系統在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內外電磁干擾，必須從設計階段開(kāi)始便采取三個(gè)方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統的抗干擾能力。這三點(diǎn)就是抑制電磁干擾的基本原則。

    PLC控制系統的抗干擾是一個(gè)系統工程，要求制造單位設計生產(chǎn)出具有較強抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴(lài)于使用部門(mén)在工程設計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，并結合具體情況進(jìn)行綜合設計，才能保證系統的電磁兼容性和運行可靠性。進(jìn)行具體工程的抗干擾設計時(shí)，應主要注意以下兩個(gè)方面。

    1．設備選型。

    在選擇設備時(shí)，首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性，尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC系統；其次還應了解生產(chǎn)廠(chǎng)家給出的抗干擾指標，如共模抑制比、差模抑制比、耐壓能力、允許在多大電場(chǎng)強度和多高頻率的磁場(chǎng)強度環(huán)境中工作等；另外是靠考查其在類(lèi)似工作中的應用實(shí)績(jì)。

    在選擇國外進(jìn)口產(chǎn)品要注意，我國是采用220V高內阻電網(wǎng)制式，而歐美地區是110V低內阻電網(wǎng)。由于我國電網(wǎng)內阻大，零點(diǎn)電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現場(chǎng)的電磁干擾至少要比歐美地區高4倍以上，對系統抗干擾性能要求更高。在國外能正常工作的PLC產(chǎn)品在國內工業(yè)就不一定能可靠運行，這就要在采用國外產(chǎn)品時(shí)，按我國的標準(GB/T13926)合理選擇。

    2．綜合抗干擾設計。主要考慮來(lái)自系統外部的幾種抑制措施，內容包括：對PLC系統及外引線(xiàn)進(jìn)行屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對外引線(xiàn)進(jìn)行隔離、濾波，特別是動(dòng)力電纜應分層布置，以防通過(guò)外引線(xiàn)引入傳導電磁干擾；正確設計接地點(diǎn)和接地裝置，完善接地系統。另外還必須利用軟件手段，進(jìn)一步提高系統的安全可靠性。

    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控制系統中，電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入PLC控制系統主要通過(guò)PLC系統的供電電源(如CPU電源、I/O電源等)、變送器供電電源和與PLC系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的?，F在對于PLC系統供電的電源，一般都采用隔離性能較好的電源，而對于變送器供電電源以及和PLC系統有直接電氣連接的儀表供電電源，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系統的干擾。

    此外，為保證電網(wǎng)饋電不中斷，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。而且UPS還具有較強的干擾隔離性能，是一種PLC控制系統的理想電源。

    2．正確選擇電纜的和實(shí)施敷設。

    為了減少動(dòng)力電纜尤其是變頻裝置饋電電纜的輻射電磁干擾，筆者在某工程中采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，降低了動(dòng)力線(xiàn)產(chǎn)生的電磁干擾，該工程投產(chǎn)后取得了滿(mǎn)意的效果。

    不同類(lèi)型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應按傳輸信號種類(lèi)分層敷設，嚴禁用同一電纜的不同導線(xiàn)同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號，避免信號線(xiàn)與動(dòng)力電纜靠近平行敷設，以減少電磁干擾。

    3．硬件濾波及軟件抗干擾措施。

    信號在接入計算機前，在信號線(xiàn)與地間并接電容，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。

    由于電磁干擾的復雜性，要根本消除干擾影響是不可能的，因此在PLC控制系統的軟件設計和組態(tài)時(shí)，還應在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)一步提高系統的可靠性。常用的一些提高軟件結構可靠性的措施包括：數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)，可防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù)，設計相應的軟件標志位；采用間接跳轉，設置軟件保護等。

    4．正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統。

    接地的目的通常有兩個(gè)，一為了安全，二是為了抑制干擾。完善的接地系統是PLC控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。

    系統接地有浮地、直接接地和電容接地三種方式。對PLC控制系統而言，它屬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)以單獨的接地線(xiàn)引向接地極。如果裝置間距較大，應采用串聯(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22mm2的銅導線(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遠處，而且PLC系統接地點(diǎn)必須與強電設備接地點(diǎn)相距10m以上。

    信號源接地時(shí)，屏蔽層應在信號側接地；不接地時(shí)，應在PLC側接地；信號線(xiàn)中間有接頭時(shí)，屏蔽層應牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地。多個(gè)測點(diǎn)信號的屏蔽雙絞線(xiàn)與多芯對絞總屏蔽電纜連接時(shí)，各屏蔽層應相互連接好，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當的接地處單點(diǎn)接地。

    本文小結

    PLC控制系統的干擾是一個(gè)十分復雜的問(wèn)題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對有些干擾情況還需做具體分析，采取對癥下藥的方法，才能夠使PLC控制系統正常工作,保證工業(yè)設備安全高效運行。