常見(jiàn)的PLC控制系統抗干擾措施

　　PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應用于電力、機械、紡織、電子、交通運輸、石油化工等行業(yè)的自動(dòng)控制系統中。PLC是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制設計的，在設計和制造過(guò)程中采取了多層次的抗干擾措施，使系統能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強電設備一起工作，運行的穩定性和可靠性很高。PLC整機的平均無(wú)故障時(shí)間可達幾十萬(wàn)小時(shí)。

　　隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能也越來(lái)越強，使用越來(lái)越方便。但是，整機的可靠性高只是保證系統可靠工作的前提，在設計和安裝PLC系統的過(guò)程中還要采取相應的措施，才能保證系統可靠工作。如果PLC的工作環(huán)境過(guò)于惡劣，如溫度過(guò)高、濕度過(guò)大、振動(dòng)和沖擊過(guò)強，以及電磁干擾嚴重或安裝使用不當等，都會(huì )直接影響PLC的正常、安全和可靠運行。如果外圍電路的抗干擾措施不當，整個(gè)控制系統的可靠性就大大降低。因此，在系統設計時(shí)應予以充分的考慮，在硬件上進(jìn)行適當的配置，并輔以相應的軟件，以實(shí)現系統故障的防范。PLC控制系統的可靠性直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，系統的抗干擾能力是整個(gè)系統可靠運行的關(guān)鍵。因此，分析研究PLC應用中的可靠性和抗干擾技術(shù)是十分必要的。要提高PLC控制系統的可靠性，既要在硬件上采取措施，又要在軟件上設計相應的保護程序。

　　1.PLC控制系統中的干擾源

　　PLC系統的干擾源根據其來(lái)源分為內部干擾源和外部干擾源兩類(lèi)，一般主要包括以下幾個(gè)方面。

　?。?）來(lái)自電氣控制柜設備內部的干擾

　?、賮?lái)自PLC系統內部的干擾，主要由PLC系統內部元器件及電路間的電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，數字地、模擬地和系統地處理不當而相互影響，以及元器件間的相互不匹配使用等。這屬于PLC制造商對系統內部進(jìn)行電磁兼容設計的內容，作為使用者是無(wú)法改變的。

　?、陔姎饪刂乒裰惺褂弥T如大功率變頻器和交流接觸器等容易產(chǎn)生干擾的器件。此類(lèi)干擾有電路參數和工作點(diǎn)選擇不當而引起的震蕩或波形畸變、快速上升的脈沖源以及在信號傳送時(shí)阻抗的不匹配、器件的物理噪聲（如元件熱噪聲、觸點(diǎn)熱電勢等）。

　?、塾捎谠骷季植缓侠碓斐傻膬炔啃盘栂嗷ゴ當_。如線(xiàn)路中存在的電容性元件引起的寄生振蕩以及由于電路邏輯設計和系統電氣設計不合理所產(chǎn)生的干擾。

　?。?）來(lái)自電氣控制柜外部的干擾

　?、賮?lái)自電源的干擾。由于PLC系統的正常供電電源均由電網(wǎng)供電，因電源引入的干擾造成PLC控制系統故障的情況很多，如高壓斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、大容量變壓器等的影響，大型電力設備起停和交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波，各種電氣設備（電動(dòng)機、空氣開(kāi)關(guān)等）、電焊機及電力系統的短路故障等，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，但制造工藝等因素使其隔離性并不理想。由于分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。

　?、趤?lái)自信號線(xiàn)引入的干擾。與PLC控制系統連接的各類(lèi)信號線(xiàn)除了傳送各類(lèi)有效的信息之外，還會(huì )受到空間電磁輻射感應的干擾，即信號線(xiàn)上的外部感應干擾。這類(lèi)干擾信號會(huì )引起PLC的I/O信號工作異常。

　?、蹃?lái)自接地系統的干擾。由地線(xiàn)侵入的靜電耦合或電磁耦合可對系統產(chǎn)生干擾。在PLC控制系統中，由于各個(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，形成共模噪聲，影響系統正常工作。此外，屏蔽層、接地線(xiàn)和大地有可能構成閉合環(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。若系統地與其他接地處理混亂，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。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。錯誤的接地不僅會(huì )引入干擾信號，接地線(xiàn)本身還會(huì )成為天線(xiàn)向外輻射噪聲，干擾 PLC控制系統的正常工作。

　?、馨粹o、繼電器等工作時(shí)觸點(diǎn)間產(chǎn)生的電弧、靜電產(chǎn)生的火花放電、外界的高頻加熱器、高頻淬火設備、雜亂的無(wú)線(xiàn)電波信號等帶來(lái)的干擾等。

　?。?）其他干擾

　?、倮讚粼斐傻倪^(guò)電壓和過(guò)電流。

　?、跍囟茸兓鸬慕佑|電阻的變化。

　?、蹤C械振動(dòng)。

　　2.干擾途徑

　　PLC控制系統受到干擾的主要途徑有電源線(xiàn)、輸入/輸出線(xiàn)和空間傳播等。電源受干擾后，PLC控制系統的供電質(zhì)量變差，會(huì )引起PLC控制失靈。輸入/輸出線(xiàn)受干擾后，會(huì )出現輸入/輸出控制紊亂?？罩懈蓴_主要以電磁感應和靜電感應形式使PLC的CPU出現誤操作。

　　3.PLC控制系統中的抗干擾措施

　　PLC控制系統的可靠性設計在系統設計中占有重要地位，在實(shí)際設計中，應根據應用系統的具體特點(diǎn)和應用環(huán)境的具體條件，靈活地選擇行之有效的可靠性設計技術(shù)和抗干擾措施，全面、合理地考慮系統的軟件和硬件設計，從總體上提高系統的抗干擾能力和可靠性。

　　PLC控制系統中的干擾是一個(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。在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應充分考慮到對PLC的各種不利因素，在硬件、軟件的設計和安裝中采取適當的保護措施，才能保證控制系統安全、可靠地運行。

　　要提高PLC控制系統的可靠性，針對干擾產(chǎn)生的原因，必須從設計階段就采取相應的抑制措施，常見(jiàn)的措施有提高裝置和系統的抗干擾能力、抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑等，基本的抗干擾措施如表1所示。

　　表1 常用的抗干擾措施

　　工程設計人員僅僅了解抗干擾的原則，掌握抗干擾的最基本措施還不夠，許多情況下干擾源對系統的干擾不是那么明顯，應綜合考慮各方面的因素，在實(shí)踐中不斷總結。在實(shí)際的工程設計中通常采用的主要抗干擾措施有：

　　（1）選擇抗干擾能力強的產(chǎn)品

　　在控制系統的設備選型階段，考慮到各廠(chǎng)家PLC抗干擾性能的優(yōu)劣，選型時(shí)就需選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC），尤其是抗外部干擾的能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC。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。另外最好的方法是考察該型號PLC在類(lèi)似工作環(huán)境中的使用情況。

　　（2）采用性能好的電源，抑制電網(wǎng)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。PLC系統的供電電源一般都采用隔離性能較好的電源，變送器的電源及與PLC有直接電氣連接的儀表的供電電源應選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù)）的產(chǎn)品，以減少對PLC系統的干擾。

　　此外，PLC電源要與整個(gè)供電系統的動(dòng)力電源分開(kāi)，一般在進(jìn)入PLC系統時(shí)加屏蔽隔離變壓器。屏蔽隔離變壓器的次級側至PLC系統間必須采用不小于2mm2的雙絞線(xiàn)。屏蔽體一般位于一、二次側兩線(xiàn)圈之間并與大地連接，這樣就可消除線(xiàn)圈間的直接耦合。另外，電源諧波比較嚴重時(shí)，可在隔離變壓器前面加濾波器來(lái)消除電源的大部分諧波。必要時(shí)可在供電的電源線(xiàn)路上接入低通濾波器，以濾去高頻干擾信號。濾波器應放在隔離變壓器之前，即先濾波后隔離。分離供電系統，將控制器、I/O通道和其他設備的供電采用各自的隔離變壓器分離開(kāi)來(lái)，也有助于抗電網(wǎng)干擾。

　?。?）電纜的選擇和敷設

　　PLC控制系統的線(xiàn)路中有電源線(xiàn)、輸入/輸出線(xiàn)、動(dòng)力線(xiàn)和接地線(xiàn)，布線(xiàn)不當則會(huì )造成電磁感應和靜電感應等干擾，因此必須按照特定的要求布線(xiàn)。動(dòng)力電纜為高壓大電流線(xiàn)路，PLC系統的配線(xiàn)靠近時(shí)會(huì )受到干擾，因此布線(xiàn)時(shí)要將PLC的輸入/輸出線(xiàn)與其他控制線(xiàn)分開(kāi)，不要共用一條電纜。開(kāi)關(guān)量信號線(xiàn)與模擬量信號線(xiàn)也應分開(kāi)布線(xiàn)，而且后者應采用屏蔽線(xiàn)，并且將屏蔽層接地。數字傳送線(xiàn)也要采用屏蔽線(xiàn)，并且要將屏蔽層接地。外部布線(xiàn)時(shí)應將控制電纜、動(dòng)力電纜、輸入/輸出線(xiàn)分開(kāi)且單獨布線(xiàn)，相互之間一般應保持30cm以上的間距。當實(shí)際情況只能允許在同一線(xiàn)槽布線(xiàn)時(shí)，就用金屬板把控制電纜、動(dòng)力電纜、輸入/輸出線(xiàn)間隔開(kāi)來(lái)并屏蔽，金屬板還必須接地。隔離變壓器二次側的電源線(xiàn)要采用2mm2以上的銅芯聚氯乙烯絕緣雙絞軟線(xiàn)。經(jīng)過(guò)這樣處理的電源線(xiàn)、輸入/輸出線(xiàn)與動(dòng)力線(xiàn)就可以減少外界磁場(chǎng)及相互之間的干擾。

　?。?）安裝中的抗干擾措施

　　PLC控制系統所處的環(huán)境對其自身的抗干擾也有一定的關(guān)系，因此在安裝時(shí)應注意以下幾個(gè)方面。

　?、贋V波器、隔離穩壓器應設在PLC控制柜的電源進(jìn)線(xiàn)口處，不讓干擾進(jìn)入控制柜內，或盡量縮短進(jìn)線(xiàn)距離。

　?、赑LC控制柜應盡可能遠離高壓柜、大動(dòng)力設備和高頻設備。

　?、跴LC要盡可能遠離繼電器之類(lèi)的電磁線(xiàn)圈和容易產(chǎn)生電弧的觸點(diǎn)。

　?、躊LC要遠離發(fā)熱的電氣設備或其他熱源，并放在通風(fēng)良好的位置上。

　?、軵LC的外部要有可靠的防水措施，以防止雨水進(jìn)入，造成機器損壞。

　?。?）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)，一是為了安全，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。

　　系統接地方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地3種。PLC控制系統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控制系統的接地線(xiàn)一般采用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地的方式，最好單獨接地，也可以與其他設備公共接地，但嚴禁與其他設備串連接地。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)接地的方式，即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 20mm2的銅導線(xiàn)，總母線(xiàn)使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻應小于2Ω，接地極最好埋在距建筑物10～15m遠處，而且PLC系統的接地點(diǎn)必須與強電設備的接地點(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)與多芯對絞總屏電纜連接時(shí)，各屏蔽層應相互連接好，并經(jīng)絕緣處理。連接接地線(xiàn)時(shí)，應注意以下幾點(diǎn)：

　?、貾LC控制系統單獨接地。

　?、赑LC系統的接地端是抗干擾的中性端子，正確接地可以有效消除電源系統的共模干擾。

　?、跴LC系統的接地線(xiàn)至少用20mm2的專(zhuān)用接地線(xiàn)，以防止感應電的產(chǎn)生。

　?、茌斎?輸出信號電纜的屏蔽線(xiàn)應與接地端子連接，且接地良好。

　?。?）外圍設備干擾的抑制

　?、貾LC輸入/輸出端子的保護

　　當輸入信號源為感性元件，輸出驅動(dòng)的負載為感性元件時(shí)，對于直流電路應在其兩端并聯(lián)續流二極管。對于交流電路，應在其兩端并聯(lián)阻容吸收電路。其作用是為了防止在感性輸入或輸出電路斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生很高的感應電勢或浪涌電流對PLC輸入/輸出端和內部電源的沖擊，若PLC的驅動(dòng)元件主要是電磁閥和交流接觸器線(xiàn)圈，應在PLC輸出端與驅動(dòng)元件之間增加光電隔離的過(guò)零型固態(tài)繼電器。

　?、谳斎?輸出信號的防錯

　　當輸出元件為雙向晶閘管或晶體管而外部負載又很小時(shí)，因為這類(lèi)輸出元件在關(guān)斷時(shí)有較大的漏電流，使輸入電路和外部負載電路不易關(guān)斷，導致輸入/輸出信號的錯誤，為此應在這類(lèi)輸入/輸出端并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC的輸入電流和外部負載上的電流。

　?、勐╇娏?/p>

　　當采用接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等直流兩線(xiàn)式傳感器輸入信號時(shí)，若漏電流較大，應考慮由此而產(chǎn)生的誤動(dòng)作，使PLC輸入信號不能關(guān)斷。一般在PLC的輸入端子上接一旁路電阻，以減少輸入阻抗。同樣用雙向晶閘管輸出時(shí)，為避免漏電流等原因引起的輸出元件關(guān)斷不了，也可以在輸出端并聯(lián)一旁路電阻。

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　　在PLC觸點(diǎn)（開(kāi)關(guān)量）輸出的場(chǎng)合，不管PLC本身有無(wú)抗干擾措施，都應采用RC吸收回路（交流負載）或并接續流二級管（直流負載），以吸收感性負載產(chǎn)生的浪涌電壓。

　?、輿_擊電流

　　用晶體管或雙向晶閘管輸出模塊驅動(dòng)白熾燈之類(lèi)的負載時(shí)，為保護輸出模塊，應在PLC輸出端并接旁路電阻或與負載串聯(lián)限流電阻。

　?。?）電磁干擾的抑制

　　根據干擾模式的不同，PLC控制系統的電磁干擾分為共模干擾和差模干擾。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等在信號線(xiàn)上感應的電壓疊加所形成。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，直接影響測控信號，造成元器件損壞（這是PLC系統I/O模塊損壞率較高的主要原因）。這種共模干擾可為直流，也可為交流。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)在信號間的感應以及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓。這種電壓疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。為了保證PLC控制系統在工業(yè)環(huán)境中免受或減少電磁干擾，一般采用隔離和屏蔽的方法。

　?。?）軟件抗干擾措施

　　由于電磁干擾的復雜性，要根本消除干擾的影響是不可能的，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。

　　由于噪聲、開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作、模擬信號誤差等因素的影響，PLC的外部開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入信號會(huì )出現錯誤，引起程序判斷失誤，造成事故。當按鈕、開(kāi)關(guān)作為輸入信號時(shí)，則不可避免產(chǎn)生抖動(dòng)。如果輸入信號是繼電器/接觸器觸點(diǎn)，有時(shí)會(huì )產(chǎn)生瞬間跳動(dòng)，引起系統誤動(dòng)作。在這種情況下，可采用定時(shí)器延時(shí)來(lái)去掉抖動(dòng)，定時(shí)時(shí)間根據觸點(diǎn)抖動(dòng)情況和系統要求的響應速度而定，這樣可保證觸點(diǎn)確實(shí)穩定閉合（或斷開(kāi)）后才執行特定的任務(wù)處理。

　　對于模擬信號可采用多種軟件濾波方法來(lái)提高數據的可靠性。連續采樣多次，采樣間隔根據Ａ/Ｄ轉換時(shí)間和信號的變化頻率而定。采樣數據先后存放在不同的數據寄存器中，經(jīng)比較后取中間值或平均值作為當前輸入值。常用的數字濾波方法有程序判斷濾波、中值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算術(shù)平均值濾波、去極值平均濾波等。

　?、俪绦蚺袛酁V波適用于對采樣信號因受到隨機干擾或傳感器不穩定而引起的失真進(jìn)行濾波。設計時(shí)根據經(jīng)驗確定兩次采樣允許的最大偏差，若先后兩次采樣的信號差值大于偏差，表明輸入是干擾信號，應去掉，用上次采樣值作為本次采樣值。若差值不大于偏差，則本次采樣值有效。

　?、谥兄禐V波是連續輸入3個(gè)采樣信號，從中選擇中間值作為有效采樣信號。

　?、刍瑒?dòng)平均值濾波是將數據存儲器的一個(gè)區域（20個(gè)單元左右）作為循環(huán)隊列，每次數據采集時(shí)先去掉隊首的一個(gè)數據，再把新數據放入隊尾，然后求平均值。

　?、苋O值平均濾波是連續采樣n次，求數據的累加和，同時(shí)找出其中的最大值和最小值，從累加和中減去最大值和最小值，再求（n－2）個(gè)數據的平均值作為有效的采樣值。

　?、菟阈g(shù)平均值濾波是求連續輸入的n個(gè)采樣數據的算術(shù)平均值作為有效的信號。它不能消除明顯的脈沖干擾，只是削弱其影響。要提高效果可采用去極值平均濾波。

　?、薹烂}沖干擾平均值濾波是連續進(jìn)行4次采樣，去掉其中的最大值和最小值，再求剩下的兩個(gè)數據的平均值。它實(shí)際上是去極值平均濾波的特例。

　　在設計中還可以用線(xiàn)性插值法、二次拋物線(xiàn)插值法或分段曲線(xiàn)擬合等方法對數據進(jìn)行非線(xiàn)性補償，提高數據的線(xiàn)性度。也可采用零位補償或自動(dòng)零跟蹤補償等方法來(lái)處理零漂，修正誤差，提高采樣數據的精度。

　　另外還可進(jìn)行信號相容性檢查，包括開(kāi)關(guān)信號之間的狀態(tài)是否矛盾，模擬信號值的變化范圍是否正常，開(kāi)關(guān)量信號與模擬量信號之間是否一致，以及各信號的時(shí)序關(guān)系是否正確等。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)，設計相應的軟件標志位，并通過(guò)設置軟件陷阱等方法來(lái)提高軟件結構的可靠性。