PLC控制系統的干擾源分析與預防

由PLC構成的控制系統大多處在強電設備和線(xiàn)路所形成的惡劣電磁環(huán)境中，干擾信號往往會(huì )給系統造成誤差，使得系統的性能指標下降，甚至使系統發(fā)生誤動(dòng)和故障，因此其抗干擾能力是系統穩定運行的關(guān)鍵。為了使控制器穩定的工作，提高控制系統運行的可靠性，需要在產(chǎn)品選型、設備安裝、線(xiàn)路敷設特別是在工程設計中必須予以高度重視， 嚴格遵照有關(guān)標準規定執行，并采取必要的抗干擾措施。
1、干擾源分析
工業(yè)現場(chǎng)對PLC控制系統的干擾主要有以下來(lái)源：
（1）空間的電磁輻射。來(lái)自強電線(xiàn)路、強電開(kāi)關(guān)設備、變壓、整流、換流、變頻設備、雷電等產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)，其輻射產(chǎn)生的影響主要在體現兩個(gè)方面：①輻射PLC內部電路，由電
路感應產(chǎn)生干擾；②輻射控制系統信號線(xiàn)路及通信網(wǎng)絡(luò )，由線(xiàn)路感應產(chǎn)生干擾。此類(lèi)干擾與線(xiàn)路敷設、設備位置、控制系統所處的場(chǎng)強特別是頻率密切相關(guān)。
（2）電源?？刂葡到y電源引自供配電系統網(wǎng)絡(luò )，除了受到各種空間電磁干擾而在電源線(xiàn)路上產(chǎn)生感應電壓外， 影響zui大的是電網(wǎng)內部設備及其狀態(tài)變化，如大型設備起停、開(kāi)關(guān)操作浪涌、交直流傳動(dòng)裝置中SCR、GTO、IGBT等電力半導體器件引起的諧波等，都將通過(guò)輸電線(xiàn)路傳到PLC電源輸入端，對PLC產(chǎn)生干擾。
（3）信號線(xiàn)引入。由信號傳輸侵入的干擾信號主要有三類(lèi)：①通過(guò)變送器和信號儀表的配電電源引入；②受空間電磁輻射感應。這類(lèi)干擾會(huì )引起輸入信號異常， 大大降低測量精度，嚴重時(shí)將引起I/O器件損壞以及系統不能正常運行；③由于現場(chǎng)強烈振動(dòng)或接線(xiàn)不牢靠使PLC輸入觸點(diǎn)發(fā)生抖動(dòng)從而產(chǎn)生錯誤的輸入信號。
（4）接地系統混亂。PLC控制系統的正確接地，可以削弱電磁干擾對系統的影響，如接地不當，將會(huì )增強干擾信號的引入，導致控制系統無(wú)法正常工作。PLC控制系統的接地包括工作地、屏蔽地、信號地、防雷地、靜電地和保護地等，若工作地與其它接地處理不妥， 所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線(xiàn)上產(chǎn)生電位分布，影響PLC內邏輯電路和模擬電路的正常工作。
（5）PLC內部。由系統內電路及元件間的相互電磁輻射產(chǎn)生， 要選擇在工業(yè)應用中具有較多成功實(shí)績(jì)的PLC來(lái)組建控制系統。
2、抗干擾措施
通過(guò)設計優(yōu)化配電系統，正確設置接地點(diǎn)、接地方式，并按規范要求配線(xiàn)、布線(xiàn)等，可有效提高系統的抗干擾能力。
2.1電源抗干擾
對于現場(chǎng)存在大容量設備（電動(dòng)機）、非線(xiàn)性動(dòng)力及供配電設備（電焊機、整流器、換流器、變頻器、固態(tài)軟啟動(dòng)器、電梯、變壓器、開(kāi)關(guān)柜）等，除控制系統中設備遠離這些可能成為電磁干擾源的設備外，還需要采取以下措施：
2.1.1變壓器隔離及屏蔽
為改善電源對控制系統侵入的干擾， 需采用帶屏蔽層的隔離變壓器配電，并將屏蔽層良好接地，同時(shí)二次繞組引線(xiàn)使用屏蔽雙絞線(xiàn)。
2.1.2一次電源濾波
為進(jìn)一步加強PLC電源的抗干擾性能， 可采用一次電源濾波器+隔離變壓器配電。先把濾波器接入配電系統，再接變壓器隔離，即先濾波后隔離。
2.1.3交流穩壓
大容量設備起停等將導致電網(wǎng)電壓波動(dòng)， 為保證控制系統電源電壓的穩定，在電源濾波前，應采用交流穩壓。
2.1.4動(dòng)力系統分離配電
控制器、I/O通道和其他設備分別由各自的隔離變壓器配電，這樣當I/O及其他設備故障不會(huì )影響控制器的電源，同時(shí)有助于抗電網(wǎng)干擾。
2.1.5變送器和儀表隔離配電
與PLC系統有電氣的變送器和儀表的配電應選擇隔離強度高的配電器，以減少對PLC系統的干擾。
2.2接地抗干擾
2.2.1控制系統與電源的接地處理
在PLC控制系統中，具有多種形式的“地”，對接地的處理有共地、浮地以及混合地三種方式。共地方式是將儀表及控制系統中的工作地（包括信號回路接地、屏蔽接地以及特殊要求的本質(zhì)安全電路接地）、保護地（即機柜、箱、儀表盤(pán)等設備外殼或柜內設備外殼接地點(diǎn)）與電源接地點(diǎn)連在一起，整個(gè)系統以大地為電位參考點(diǎn)， 這是在實(shí)際應用中采用較多的一種方式。如大地電位變化較大，信號電路將受到共模干擾，且易轉成差模干擾，此時(shí)適宜浮地方式。此方式是將控制系統中工作地與保護接地點(diǎn)連在一塊， 但與電源接地點(diǎn)絕緣。但這種接
地，機殼積累的靜電不能自行釋放，操作不安全，可采用保護共地（即保護地與電源接地點(diǎn)連在一處）和工作浮地的方式。
2.2.2控制系統接地
為防止接地導體成為輻射天線(xiàn)， 其長(cháng)度不應超過(guò)0.02λ（λ=v/f，λ 為電子設備的工作波長(cháng)，v=3×108km/s，為電磁波的傳播速度，f 為電子設備的工作頻率）。接地導體長(cháng)度小于0.02λ可采用單點(diǎn)接地，大于0.02λ 應采用多點(diǎn)接地。PLC的工作頻率一般不高于100kHz，當其接地導體長(cháng)度不超過(guò)60m（一般均不會(huì )超過(guò)），可采用單點(diǎn)接地，接地點(diǎn)應盡量靠近控制器，接地線(xiàn)采用地線(xiàn)，選型須滿(mǎn)足有關(guān)規范要求并應盡量粗，同時(shí)要避開(kāi)強電線(xiàn)路和防雷引下線(xiàn)。另外需要注意的是接地導體長(cháng)度需要避開(kāi)λ/4 及其奇數倍，因此時(shí)阻抗為無(wú)窮大，相當于一根天線(xiàn)，可接收和輻射干擾信號。
屏蔽電纜的屏蔽層兩端應在防雷區交界處做等電位連接，當系統要求只在一端做等電位連接時(shí)，應采用雙層屏蔽或單層屏蔽加穿鋼管敷設， 外層屏蔽或鋼管的兩端應在防雷區交界處做等電位連接， 既可解決靜電感應又能消除磁場(chǎng)強度變化所感應的電壓。
屏蔽地、保護地、電源地、信號地均不能串接，要分別由各自獨立的接地支線(xiàn)接到接地匯流牌或接地端子板上。
當多芯電纜的備用芯線(xiàn)短接后在一點(diǎn)接地， 屏蔽電纜的屏蔽層至少與其備用芯線(xiàn)要在同一側接地； 儀表電纜的屏蔽層至少在控制室儀表盤(pán)柜側接地。
2.3I/O信號抗干擾
2.3.1I/O模塊的選擇
從抗干擾角度選擇模塊：①優(yōu)先選擇絕緣型的I/O模塊；②無(wú)觸點(diǎn)輸出模塊比有觸點(diǎn)輸出模塊在控制側產(chǎn)生的的干擾??；③允許信號“通-斷”電平差值大、“關(guān)斷”電平高以及響應時(shí)間長(cháng)的輸入模塊，抗干擾性能優(yōu)。
2.3.2輸入信號抗干擾
當PLC輸入電路為晶體管或是光電開(kāi)關(guān)輸出類(lèi)型時(shí)，由于在關(guān)斷時(shí)存在漏電流，當漏電流超過(guò)一定值，就會(huì )形成錯誤信號。在輸入端并聯(lián)合適的旁路電阻，可避免漏電流干擾引起的錯誤輸入信號而產(chǎn)生誤動(dòng)。
2.3.3輸出信號抗干擾
當PLC輸出器件采用雙向晶閘管或晶體管， 由于這類(lèi)輸出器件在關(guān)斷時(shí)存在微弱漏電流， 可能會(huì )引起小阻抗負載的誤動(dòng)， 導致輸出信號錯誤。在這類(lèi)輸出端并聯(lián)合適的旁路電阻，可防止漏電流干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)。
2.3.4防感應電壓
感應電壓主要是通過(guò)輸入信號線(xiàn)之間以及與其他線(xiàn)路之間的電氣耦合產(chǎn)生，改進(jìn)措施主要有：①避免輸入信號線(xiàn)與動(dòng)力線(xiàn)平行走線(xiàn)；②采用直流輸入；③輸入端并聯(lián)瞬間過(guò)壓吸收電路。
2.4配線(xiàn)及布線(xiàn)抗干擾
為防止或降低配線(xiàn)及布線(xiàn)的干擾，可采取以下措施：①開(kāi)關(guān)量信號線(xiàn)與模擬量信號線(xiàn)應分別配線(xiàn)， 且后者應采用屏蔽線(xiàn)纜， 數據通信傳輸線(xiàn)也要用屏蔽線(xiàn)， 并優(yōu)先采用屏蔽雙絞線(xiàn)。②交流信號與直流信號不共用電纜。③長(cháng)距離配線(xiàn)時(shí)，輸入與輸出信號線(xiàn)不共用電纜。④控制系統的接地線(xiàn)、信號線(xiàn)與動(dòng)力線(xiàn)、防雷引下線(xiàn)避開(kāi)敷設，并保持適當間距。⑤遠程布線(xiàn)時(shí)優(yōu)先采用遠程I/O控制系統。
以上抗干擾措施經(jīng)我院總包和設計的各類(lèi)PLC控制工程實(shí)際應用表明，有效的解決了現場(chǎng)各類(lèi)干擾因素的影響?？刂葡到y的干擾及抗干擾都錯綜復雜， 需要在產(chǎn)品選型、設備安裝、線(xiàn)路敷設、接地處理特別是在工程設計中因地制宜、統籌考慮，從而保障控制系統長(cháng)期正常運行。