PLC控製係統應用的抗幹擾問題

PLC控製係統應用的抗幹擾問題
作者： (南昌有色冶金設計研究院)熊雲斌
一、概述

   隨著科學技術的發展，PLC在工業控製中的應用越來越廣泛。PLC控kong製zhi係xi統tong的de可ke靠kao性xing直zhi接jie影ying響xiang到dao工gong業ye企qi業ye的de安an全quan生sheng產chan和he經jing濟ji運yun行xing，係xi統tong的de抗kang幹gan擾rao能neng力li是shi關guan係xi到dao整zheng個ge係xi統tong可ke靠kao運yun行xing的de關guan鍵jian。自zi動dong化hua係xi統tong中zhong所suo使shi用yong的de各ge種zhong類lei型xingPLC，有(you)的(de)是(shi)集(ji)中(zhong)安(an)裝(zhuang)在(zai)控(kong)製(zhi)室(shi)，有(you)的(de)是(shi)安(an)裝(zhuang)在(zai)生(sheng)產(chan)現(xian)場(chang)和(he)各(ge)電(dian)機(ji)設(she)備(bei)上(shang)，它(ta)們(men)大(da)多(duo)處(chu)在(zai)強(qiang)電(dian)電(dian)路(lu)和(he)強(qiang)電(dian)設(she)備(bei)所(suo)形(xing)成(cheng)的(de)惡(e)劣(lie)電(dian)磁(ci)環(huan)境(jing)中(zhong)。要(yao)提(ti)高(gao)PLC控製係統可靠性
，一方麵要求PLC生產廠家提高設備的抗幹擾能力；另一方麵
，要求工程設計、安裝施工和使用維護中引起高度重視

，多方配合才能完善解決問題，有效地增強係統的抗幹擾性能。

二
、電磁幹擾源及對係統的幹擾

1 幹擾源及幹擾一般分類

   影響PLCkongzhixitongdeganraoyuanyuyibanyingxianggongyekongzhishebeideganraoyuanyiyang，dadouchanshengzaidianliuhuodianyajuliebianhuadebuwei
，zhexiedianhejulieyidongdebuweijiushizaoshengyuan，jiganraoyuan。

   幹擾類型通常按幹擾產生的原因、噪聲幹擾模式和噪聲的波形性質的不同劃分。其中：按噪聲產生的原因不同，分為放電噪聲

、浪湧噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質不同
，分為持續噪聲、偶發噪聲等
；anzaoshengganraomoshibutong
，fenweigongmoganraohechamoganrao。gongmoganraohechamoganraoshiyizhongbijiaochangyongdefenleifangfa。gongmoganraoshixinhaoduididedianweicha，zhuyaoyoudianwangchuanru、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電室，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱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（這就是一些係統I/O模件損壞率較高的主要原因），這種共模幹擾可為直流
、亦(yi)可(ke)為(wei)交(jiao)流(liu)。差(cha)模(mo)幹(gan)擾(rao)是(shi)指(zhi)作(zuo)用(yong)於(yu)信(xin)號(hao)兩(liang)極(ji)間(jian)的(de)幹(gan)擾(rao)電(dian)壓(ya)，主(zhu)要(yao)由(you)空(kong)間(jian)電(dian)磁(ci)場(chang)在(zai)信(xin)號(hao)間(jian)耦(ou)合(he)感(gan)應(ying)及(ji)由(you)不(bu)平(ping)衡(heng)電(dian)路(lu)轉(zhuan)換(huan)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)所(suo)形(xing)成(cheng)的(de)電(dian)壓(ya)，這(zhe)種(zhong)直(zhi)接(jie)疊(die)加(jia)在(zai)信(xin)號(hao)上(shang)，直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)測(ce)量(liang)與(yu)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)。

2 PLC控製係統中電磁幹擾的主要來源

2.1 來自空間的輻射幹擾

   空間的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程
、雷電


、無線電廣播、電視
、雷達
、高頻感應加熱設備等產生的

，通常稱為輻射幹擾

，其分布極為複雜。若PLC係統置於所射頻場內
，就回收到輻射幹擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內部的輻射
，由電路感應產生幹擾；而是對PLCtongxinneiwangluodefushe，youtongxinxianludeganyingyinruganrao。fusheganraoyuxianchangshebeibuzhijishebeisuochanshengdediancichangdaxiao，tebieshipinlvyouguan
，yibantongguoshezhipingbidianlanhePLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

2.2 來自係統外引線的幹擾

   主要通過電源和信號線引入
，通常稱為傳導幹擾。這種幹擾在我國工業現場較嚴重。

（1）來自電源的幹擾

   實踐證明，因電源引入的幹擾造成PLC控製係統故障的情況很多，筆者在某工程調試中遇到過，後更換隔離性能更高的PLC電源，問題才得到解決。

   PLC係(xi)統(tong)的(de)正(zheng)常(chang)供(gong)電(dian)電(dian)源(yuan)均(jun)由(you)電(dian)網(wang)供(gong)電(dian)。由(you)於(yu)電(dian)網(wang)覆(fu)蓋(gai)範(fan)圍(wei)廣(guang)，它(ta)將(jiang)受(shou)到(dao)所(suo)有(you)空(kong)間(jian)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)而(er)在(zai)線(xian)路(lu)上(shang)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)路(lu)。尤(you)其(qi)是(shi)電(dian)網(wang)內(nei)部(bu)的(de)變(bian)化(hua)，入(ru)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)浪(lang)湧(yong)、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波

、電網短路暫態衝擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電(dian)源(yuan)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)隔(ge)離(li)電(dian)源(yuan)
，但(dan)其(qi)機(ji)構(gou)及(ji)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)因(yin)素(su)使(shi)其(qi)隔(ge)離(li)性(xing)並(bing)不(bu)理(li)想(xiang)。實(shi)際(ji)上(shang)
，由(you)於(yu)分(fen)布(bu)參(can)數(shu)特(te)別(bie)是(shi)分(fen)布(bu)電(dian)容(rong)的(de)存(cun)在(zai)，絕(jue)對(dui)隔(ge)離(li)是(shi)不(bu)可(ke)能(neng)的(de)。

（2）來自信號線引入的幹擾

   與PLC控製係統連接的各類信號傳輸線

，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部幹擾信號侵入。此幹擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網幹擾
，這往往被忽視
；二是信號線受空間電磁輻射感應的幹擾，即信號線上的外部感應幹擾，這是很嚴重的。由信號引入幹擾會引起I/O信xin號hao工gong作zuo異yi常chang和he測ce量liang精jing度du大da大da降jiang低di，嚴yan重zhong時shi將jiang引yin起qi元yuan器qi件jian損sun傷shang。對dui於yu隔ge離li性xing能neng差cha的de係xi統tong

，還hai將jiang導dao致zhi信xin號hao間jian互hu相xiang幹gan擾rao，引yin起qi共gong地di係xi統tong總zong線xian回hui流liu
，造zao成cheng邏luo輯ji數shu據ju變bian化hua
、誤動和死機。PLC控製係統因信號引入幹擾造成I/O模件損壞數相當嚴重，由此引起係統故障的情況也很多。

（3）來自接地係統混亂時的幹擾

   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，既能抑製電磁幹擾的影響，又能抑製設備向外發出幹擾；而錯誤的接地
，反而會引入嚴重的幹擾信號，使PLC係統將無法正常工作。

   PLC控製係統的地線包括係統地
、屏蔽地、交流地和保護地等。接地係統混亂對PLC係(xi)統(tong)的(de)幹(gan)擾(rao)主(zhu)要(yao)是(shi)各(ge)個(ge)接(jie)地(di)點(dian)電(dian)位(wei)分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)，不(bu)同(tong)接(jie)地(di)點(dian)間(jian)存(cun)在(zai)地(di)電(dian)位(wei)差(cha)
，引(yin)起(qi)地(di)環(huan)路(lu)電(dian)流(liu)，影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。例(li)如(ru)電(dian)纜(lan)屏(ping)蔽(bi)層(ceng)必(bi)須(xu)一(yi)點(dian)接(jie)地(di)
，如(ru)果(guo)電(dian)纜(lan)屏(ping)蔽(bi)層(ceng)兩(liang)端(duan)A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當發生異常狀態如雷擊時，地線電流將更大。

   此外，屏蔽層、接(jie)地(di)線(xian)和(he)大(da)地(di)有(you)可(ke)能(neng)構(gou)成(cheng)閉(bi)合(he)環(huan)路(lu)，在(zai)變(bian)化(hua)磁(ci)場(chang)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)，屏(ping)蔽(bi)層(ceng)內(nei)有(you)會(hui)出(chu)現(xian)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)
，通(tong)過(guo)屏(ping)蔽(bi)層(ceng)與(yu)芯(xin)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)耦(ou)合(he)，幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)回(hui)路(lu)。若(ruo)係(xi)統(tong)地(di)與(yu)其(qi)它(ta)接(jie)地(di)處(chu)理(li)混(hun)亂(luan)
，所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)地(di)環(huan)流(liu)就(jiu)可(ke)能(neng)在(zai)地(di)線(xian)上(shang)產(chan)生(sheng)不(bu)等(deng)電(dian)位(wei)分(fen)布(bu)
，影(ying)響(xiang)PLC內邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓幹擾容限較低，邏輯地電位的分布幹擾容易影響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作。

2.3 來自PLC係統內部的幹擾

   主zhu要yao由you係xi統tong內nei部bu元yuan器qi件jian及ji電dian路lu間jian的de相xiang互hu電dian磁ci輻fu射she產chan生sheng，如ru邏luo輯ji電dian路lu相xiang互hu輻fu射she及ji其qi對dui模mo擬ni電dian路lu的de影ying響xiang，模mo擬ni地di與yu邏luo輯ji地di的de相xiang互hu影ying響xiang及ji元yuan器qi件jian間jian的de相xiang互hu不bu匹pi配pei使shi用yong等deng。這zhe都dou屬shu於yuPLC製zhi造zao廠chang對dui係xi統tong內nei部bu進jin行xing電dian磁ci兼jian容rong設she計ji的de內nei容rong，比bi較jiao複fu雜za
，作zuo為wei應ying用yong部bu門men是shi無wu法fa改gai變bian，可ke不bu必bi過guo多duo考kao慮lv
，但dan要yao選xuan擇ze具ju有you較jiao多duo應ying用yong實shi績ji或huo經jing過guo考kao驗yan的de係xi統tong。

三

、PLC控製係統工程應用的抗幹擾設計

   為了保證係統在工業電磁環境中免受或減少內外電磁幹擾，必須從設計階段開始便采取三個方麵抑製措施：抑製幹擾源
；切斷或衰減電磁幹擾的傳播途徑
；提高裝置和係統的抗幹擾能力。這三點就是抑製電磁幹擾的基本原則。

   PLC控製係統的抗幹擾是一個係統工程，要求製造單位設計生產出具有較強抗幹擾能力的產品，且有賴於使用部門在工程設計、anzhuangshigongheyunxingweihuzhongyuyiquanmiankaolv，bingjiehejuyouqingkuangjinxingzonghesheji，cainengbaozhengxitongdediancijianrongxingheyunxingkekaoxing。jinxingjutigongchengdekangganraoshejishi

，yingzhuyaoyixialianggefangmian。

1 設備選型

   在選擇設備時，首先要選擇有較高抗幹擾能力的產品，其包括了電磁兼容性（EMC），尤其是抗外部幹擾能力，如采用浮地技術、隔離性能好的PLC係統；其次還應了解生產廠給出的抗幹擾指標，如共模擬製比
、差模擬製比，耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環境中工作；另外是靠考查其在類似工作中的應用實績。在選擇國外進口產品要注意：我國是采用220V高內阻電網製式，而歐美地區是110V低內阻電網。由於我國電網內阻大，零點電位漂移大，地電位變化大，工業企業現場的電磁幹擾至少要比歐美地區高4倍以上，對係統抗幹擾性能要求更高，在國外能正常工作的PLC產品在國內工業就不一定能可靠運行，這就要在采用國外產品時，按我國的標準（GB/T13926）合理選擇。

2 綜合抗幹擾設計

   主要考慮來自係統外部的幾種如果抑製措施。主要內容包括：對PLC係統及外引線進行屏蔽以防空間輻射電磁幹擾；對外引線進行隔離
、濾波
，特別是原理動力電纜，分層布置，以防通過外引線引入傳導電磁幹擾；正確設計接地點和接地裝置，完善接地係統。另外還必須利用軟件手段，進一步提高係統的安全可靠性。

四
、主要抗幹擾措施

1 采用性能優良的電源
，抑製電網引入的幹擾

   在PLC控製係統中，電源占有極重要的地位。電網幹擾串入PLC控製係統主要通過PLC係統的供電電源（如CPU 電源、I/O電源等）、變送器供電電源和與PLC係統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的。現在
，對於PLC係統供電的電源，一般都采用隔離性能較好電源
，而對於變送器供電的電源和PLCxitongyouzhijiedianqilianjiedeyibiaodegongdiandianyuan，bingmeishoudaozugoudezhongshi，suirancaiquleyidingdegelicuoshi，danpubianhaibugou，zhuyaoshishiyongdegelibianyaqifenbucanshuda，yizhiganraonenglicha
，jingdianyuanouheerchuanrugongmoganrao、差模幹擾。所以
，對於變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容小、抑製帶大（如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術）的配電器，以減少PLC係統的幹擾。

   此外，位保證電網饋點不中斷，可采用在線式不間斷供電電源（UPS）供電，提高供電的安全可靠性。並且UPS還具有較強的幹擾隔離性能，是一種PLC控製係統的理想電源。

2 電纜選擇的敖設

   為wei了le減jian少shao動dong力li電dian纜lan輻fu射she電dian磁ci幹gan擾rao，尤you其qi是shi變bian頻pin裝zhuang置zhi饋kui電dian電dian纜lan。筆bi者zhe在zai某mou工gong程cheng中zhong，采cai用yong了le銅tong帶dai鎧kai裝zhuang屏ping蔽bi電dian力li電dian纜lan，從cong而er降jiang低di了le動dong力li線xian生sheng產chan的de電dian磁ci幹gan擾rao
，該gai工gong程cheng投tou產chan後hou取qu得de了le滿man意yi的de效xiao果guo。

   不bu同tong類lei型xing的de信xin號hao分fen別bie由you不bu同tong電dian纜lan傳chuan輸shu，信xin號hao電dian纜lan應ying按an傳chuan輸shu信xin號hao種zhong類lei分fen層ceng敖ao設she
，嚴yan禁jin用yong同tong一yi電dian纜lan的de不bu同tong導dao線xian同tong時shi傳chuan送song動dong力li電dian源yuan和he信xin號hao，避bi免mian信xin號hao線xian與yu動dong力li電dian纜lan靠kao近jin平ping行xing敖ao設she，以yi減jian少shao電dian磁ci幹gan擾rao。

3 硬件濾波及軟件抗如果措施

   信號在接入計算機前

，在信號線與地間並接電容，以減少共模幹擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模幹擾。

   由於電磁幹擾的複雜性，要根本消除迎接幹擾影響是不可能的，因此在PLC控製係統的軟件設計和組態時，還應在軟件方麵進行抗幹擾處理，進一步提高係統的可靠性。常用的一些措施：數字濾波和工頻整形采樣
，可有效消除周期性幹擾
；定時校正參考點電位，並采用動態零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗餘技術
，設計相應的軟件標誌位
；采用間接跳轉
，設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。

4 正確選擇接地點，完善接地係統

   接地的目的通常有兩個，其一為了安全
，其二是為了抑製幹擾。完善的接地係統是PLC控製係統抗電磁幹擾的重要措施之一。

   係統接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLCkongzhixitongeryan，tashugaosudidianpingkongzhizhuangzhi，yingcaiyongzhijiejiedifangshi。youyuxinhaodianlanfenbudianrongheshuruzhuangzhilvbodengdeyingxiang，zhuangzhizhijiandexinhaojiaohuanpinlvyibandoudiyu1MHz
，所以PLC控製係統接地線采用一點接地和串聯一點接地方式。集中布置的PLC係xi統tong適shi於yu並bing聯lian一yi點dian接jie地di方fang式shi，各ge裝zhuang置zhi的de櫃gui體ti中zhong心xin接jie地di點dian以yi單dan獨du的de接jie地di線xian引yin向xiang接jie地di極ji。如ru果guo裝zhuang置zhi間jian距ju較jiao大da
，應ying采cai用yong串chuan聯lian一yi點dian接jie地di方fang式shi。用yong一yi根gen大da截jie麵mian銅tong母mu線xian（或絕緣電纜）連接各裝置的櫃體中心接地點

，然後將接地母線直接連接接地極。接地線采用截麵大於22mm2的銅導線，總母線使用截麵大於60mm2的銅排。接地極的接地電阻小於2Ω
，接地極最好埋在距建築物10 ~ 15m遠處，而且PLC係統接地點必須與強電設備接地點相距10m以上。

   信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地；不接地時，應在PLC側接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接並進行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好
，並經絕緣處理。選擇適當的接地處單點接點。

五、 結束語

   PLCkongzhixitongzhongdeganraoshiyigeshifenfuzadewenti，yincizaikangganraoshejizhongyingzonghekaolvgefangmiandeyinsu，heliyouxiaodiyizhikangganrao，duiyouxieganraoqingkuanghaixuzuojutifenxi，caiquduizhengxiayaodefangfa，cainenggoushiPLC控製係統正常工作。