PLC控制系统抗干扰分析

提要本文首先分析了PLC 控制系统中干扰信号的来源、成因，并从硬件电路设计、软件程序编制、PLC选型、电缆布线等诸多方面研究探讨提高PLC控制系统抗干扰能力的方法和措施。随着PLC在自动控制领域的日益普及，这些方法和措施对于提高PLC控制系统的抗干扰能力具有重要的经济意义和实用价值。

一、前言

可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术，面向控制过程、面向用户，适应工业环境，操作方便的数字式电子装置。它使用可以编程的记忆单元来存储指令，执行数字和逻辑运算，并通过数字量的输入、输出实现对工业生产过程的控制。就PLC本身来说，在设计和制造过程中厂家已采取了多层次的抗干扰措施，具有一定的稳定性和可靠性，但由于PLC的应用场合越来越广，应用环境越来越复杂，所受的干扰也就越来越多。如来自电源波形的畸变；现场设备产生的电磁干扰；接地电阻的耦合；输入元件的抖动等各种形式的干扰，都可能使系统不能正常工作。因此，研究PLC控制系统抗干扰信号的来源、成因及其抑制措施，对于提高PLC控制系统的抗干扰能力及可靠性具有重要意义。

二、PLC控制系统的安装和使用环境

PLC是专为工业控制设计的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境中使用。但是，在PLC控制系统中，如果环境过于恶劣，或安装使用不当，将会降低系统的可靠性。PLC使用环境温度通常在0℃～55℃范围内，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于85%，以保证PLC有良好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，需将PLC封闭安装。此外，如果PLC安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，所以应采取相应的减振措施。

三、影响PLC控制系统稳定的干扰类型

1、辐射干扰。能产生空间辐射电磁场的设备均能影响到PLC的正常运行。如，大的电力网络、电器设备的暂态过程、运行中的高频感应加热设备以及雷电等。若此时PLC置于其辐射场内，其信号、数据线和电源线即可充当天线接受辐射干扰。此种干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场的大小、频率有关。

2、传导干扰

（1）来自电源的干扰。在工业现场中，开关操作浪涌、大型电力设备的起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等均能在电网中形成脉冲干扰。PLC的正常供电电源均由电网供电，因而会直接影响到PLC的正常工作。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间的电磁干扰而产生持续的高频谐波干扰。特别在断开电网中的感性负载时产生的瞬时电压峰值是额定值的几十倍，其脉冲功率足以损坏PLC半导体器件，并且含有大量的谐波可以通过半导体线路中的分布电容、绝缘电阻等侵入逻辑电路，引起误动作。

（2）来自信号传输线上的干扰。除了传输有效的信息外，PLC系统连接的各类信号传输线总会有外部干扰信号的侵入。此干扰主要有两种途径：①通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰；②信号线上的外部感应干扰，其中静电放电、脉冲电场及切换电压为主要干扰来源。由信号线引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。若系统隔离性能较差，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动作甚至死机。

3、地电位的分布干扰。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。地电位的分布干扰主要是各个接地点的电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，从而引起地环路电流，该电流可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。由于PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。

4、PLC系统本身产生的干扰。产生这种干扰的主要原因是系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射。如，逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响；模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。

四、抗干扰设计

1、选择抗干扰性能好的设备。在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性，尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等；再次是靠考查其在类似工作中的应用实绩。在选择国外进口产品时要注意，我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大、零点电位漂移大、地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高。在国外能正常工作的PLC产品在国内工业中就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准（GB/T13926）合理选择。

2、综合抗干扰设计。主要考虑来自系统外部的几种抑制措施，内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是动力电缆应分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外，还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。

五、主要抗干扰措施

1、对电源干扰的抑制。PLC系统电源必须要与整个供电系统的动力电源分开，一般在进入PLC系统之前加隔离变压器，并合理布置电源线，强电与弱电电缆要严格分开。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电电源以及和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源，并没受到足够的重视。虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。

2、对线间干扰的抑制。PLC控制系统线路中有电源线、输入/输出线、动力线和接地线，布线不恰当则会造成电磁感应和静电感应等干扰，因此必须按照特定要求布线，如尽可能的等间距，以及避免线路绕圈等。不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠行敷设，以减少电磁干扰。

3、硬件及软件抗干扰措施。信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统，但由于干扰存在的随机性，尤其是在工业生产环境下，硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外，这时可以发挥软件的灵活性与硬件措施相结合来提高系统的抗干扰能力。如，利用“看门狗”方法对系统的运动状态进行监控；数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件保护等。

4、正确而有效的接地也是抗干扰的重要措施。接地的目的通常有两个：其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗干扰的重要措施之一。接地在消除干扰上起很大的作用。系统接地方式一般有浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于20mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。PLC电源线、I/O电源线、输入输出信号线、交流线、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线，而且后者应采用屏蔽线，并且将屏蔽层接地。数字传输线也要采用屏蔽线，并且要将屏蔽层接地。PLC系统最好单独接地，也可以与其他设备公共接地，但严禁与其他设备串联接地。连接接地线时，应注意以下几点：①PLC控制系统单独接地。②PLC系统接地端子是抗干扰的中性端子，应与接地端子连接，其正确接地可以有效消除电源系统的共模干扰。③PLC系统的接地电阻应小于100Ω，接地线至少用20mm2的专用接地线，以防止感应电的产生。④输入输出信号电缆的屏蔽线应与接地端子端连接，且接地良好。

5、设备安装中的一些抗干扰措施。①PLC控制柜应尽可能远离高压柜、大动力及高频设备。②PLC控制柜要远离继电器、接触器之类的电磁线圈和容易产生电弧触点的地方。③整台PLC机要远离发热的电气设备或其他热源，并具有良好的通风及相应的散热装置。④PLC程控器的外部要有可靠的防水系统，避免造成机器损坏。