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路所形成的惡劣電磁環境中，干擾信號往往會給系統造成誤差，使得系統的性能指標下降，甚至使系統發生誤動和故障，因此其抗干擾能力是系統穩定運行的關鍵。為了使控制器穩定的工作，提高控制系統運行的可靠性，需要在產品選型、設備安裝、線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
工業現場對PLC控制系統的干擾主要有以下來源：
（1）空間的電磁輻射。來自強電線路、強電開關設備、變壓、整流、換流、變頻設備、雷電等產生的空間電磁場，其輻射產生的影響主要在體現兩個方面：①輻射PLC內部電路，由電
路感應產生干擾；②輻射控制系統信號線路及通信網絡，由線路感應產生干擾。此類干擾與線路敷設、設備位置、控制系統所處的場強特別是頻率密切相關。
（2）電源。控制系統電源引自供配電系統網絡，除了受到各種空間電磁干擾而在電源線路上產生感應電壓外， 影響zui大的是電網內部設備及其狀態變化，如大型設備起停、開關操作浪涌、交直流傳動裝置中SCR、GTO、IGBT等電力半導體器件引起的諧波等，都將通過輸電線路傳到PLC電源輸入端，對PLC產生干擾。
（3）信號線引入。由信號傳輸侵入的干擾信號主要有三類：①通過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。這類干擾會引起輸入信號異常， 大大降低測量精度，嚴重時將引起I/O器件損壞以及系統不能正常運行；③由于現場強烈振動或接線不牢靠使PLC輸入觸點發生抖動從而產生錯誤的輸入信號。
（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，將會增強干擾信號的引入，導致控制系統無法正常工作。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， 所產生的地環流就可能在地線上產生電位分布，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生， 要選擇在工業應用中具有較多成功實績的PLC來組建控制系統。
2、抗干擾措施
通過設計優化配電系統，正確設置接地點、接地方式，并按規范要求配線、布線等，可有效提高系統的抗干擾能力。
2.1電源抗干擾
對于現場存在大容量設備（電動機）、非線性動力及供配電設備（電焊機、整流器、換流器、變頻器、固態軟啟動器、電梯、變壓器、開關柜）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，同時二次繞組引線使用屏蔽雙絞線。
2.1.2一次電源濾波
為進一步加強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電壓波動， 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影響控制器的電源，同時有助于抗電網干擾。
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安全電路接地）、保護地（即機柜、箱、儀表盤等設備外殼或柜內設備外殼接地點）與電源接地點連在一起，整個系統以大地為電位參考點， 這是在實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連在一塊， 但與電源接地點絕緣。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， 其長度不應超過0.02λ（λ=v/f，λ 為電子設備的工作波長，v=3×108km/s，為電磁波的傳播速度，f 為電子設備的工作頻率）。接地導體長度小于0.02λ可采用單點接地，大于0.02λ 應采用多點接地。PLC的工作頻率一般不高于100kHz，當其接地導體長度不超過60m（一般均不會超過），可采用單點接地，接地點應盡量靠近控制器，接地線采用地線，選型須滿足有關規范要求并應盡量粗，同時要避開強電線路和防雷引下線。另外需要注意的是接地導體長度需要避開λ/4 及其奇數倍，因此時阻抗為無窮大，相當于一根天線，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，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接到接地匯流牌或接地端子板上。
當多芯電纜的備用芯線短接后在一點接地， 屏蔽電纜的屏蔽層至少與其備用芯線要在同一側接地； 儀表電纜的屏蔽層至少在控制室儀表盤柜側接地。
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優先選擇絕緣型的I/O模塊；②無觸點輸出模塊比有觸點輸出模塊在控制側產生的的干擾小；③允許信號“通-斷”電平差值大、“關斷”電平高以及響應時間長的輸入模塊，抗干擾性能優。
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關輸出類型時，由于在關斷時存在漏電流，當漏電流超過一定值，就會形成錯誤信號。在輸入端并聯合適的旁路電阻，可避免漏電流干擾引起的錯誤輸入信號而產生誤動。
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， 由于這類輸出器件在關斷時存在微弱漏電流， 可能會引起小阻抗負載的誤動， 導致輸出信號錯誤。在這類輸出端并聯合適的旁路電阻，可防止漏電流干擾產生的誤動。
2.3.4防感應電壓
感應電壓主要是通過輸入信號線之間以及與其他線路之間的電氣耦合產生，改進措施主要有：①避免輸入信號線與動力線平行走線；②采用直流輸入；③輸入端并聯瞬間過壓吸收電路。
2.4配線及布線抗干擾
為防止或降低配線及布線的干擾，可采取以下措施：①開關量信號線與模擬量信號線應分別配線， 且后者應采用屏蔽線纜， 數據通信傳輸線也要用屏蔽線， 并優先采用屏蔽雙絞線。②交流信號與直流信號不共用電纜。③長距離配線時，輸入與輸出信號線不共用電纜。④控制系統的接地線、信號線與動力線、防雷引下線避開敷設，并保持適當間距。⑤遠程布線時優先采用遠程I/O控制系統。
以上抗干擾措施經我院總包和設計的各類PLC控制工程實際應用表明，有效的解決了現場各類干擾因素的影響。控制系統的干擾及抗干擾都錯綜復雜， 需要在產品選型、設備安裝、線路敷設、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期正常運行。