简述PLC应用中的抗干扰设计

摘要：工业的发展对PLC控制系统依赖性越来越强，而现工业生产线控制系统中所使用PLC大多处于恶劣的电磁环境中，很容易被周围干扰源干扰而影响工作，为防止干扰，除了从硬件电路上设计，还可以从软件编程上采取措施。

关键词：PLC控制系统；抗干扰；硬件设计；软件措施

中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)36-2837-02

PLC是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它起源于1969年，经过40多年的发展，由于PLC具有通用性强，编程简单、可靠性高，能较强适应恶劣工业环境等优点，已被广泛应用于工业控制领域中。

工业高速发展对控制系统依赖性越来越强。现工业生产线控制系统中所使用PLC，大多安装在生产现场或主控室，处强电电路和强电设备所形成恶劣电磁环境中，很容易被周围干扰源干扰而引起控制系统产生误动作而且随着电子技术的发展，大规模集成芯片内单位面积元件数越来越多，芯片对外界噪声也越趋敏感，显示出来抗干扰能力也就很低。特别是外部连接电缆又多又长，这类似于拾取噪声高效天线，给噪声耦合提供了充分条件，使各种噪声容易侵入控制系统。为防止干扰,可以采用硬件和软件两个方面的措施。首先我们从硬件电路上加以设计。

1 选择合理的设备型号

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（EMC），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给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，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；另外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 注意选择良好的工作环境

PLC的工作环境温度在 0 ～ 55 ℃ 范围内；环境相对湿度应在 35 ％～ 85 ％范围内；周围无易燃和腐蚀性气体；周围无过量的灰尘和金属微粒等。

3 正确的接线

PLC 系统的接线主要包括电源接线、接地、 I/O 接线及对扩展单元接线等。除按规定接线外，还应注意以下接线要求：

1） 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。

2） PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。

3） PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

4） PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界信号的干扰。

5）交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

4 加装滤波、隔离、屏蔽等系统抵制各种干扰

1）电网的干扰，频率的波动，将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多。解决的方法：一是选择干净的电源，适当采用无源滤波方式；二是加隔离变压器另外如果有条件的话采用UPS供电那就更好了。

2）接地干扰

在PLC控制系统中，具有多种形式的“地”，主要有： 信号地，交流地，屏蔽地，保护地。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应对PLC系统进行良好的接地。PLC组成的控制系统常用一点接地，接地线截面积不能小于2mm2，接地电阻不能大于100Ω，接地线最好是专用地线。若达不到这种要求，也可采用公共接地方式，禁止采用与其它设备串联接地的方式。为防止交流电对低电平信号的干扰，在直流信号的导线上要加隔离屏蔽；不允许信号源与交流电共用一根地线；各个接地点通过接地铜牌连接到一起。

屏蔽地、保护地不能与电源地、信号地和其它地扭在一起，只能各自独立的接到接地铜牌上。为减少信号的电容耦合噪声，可采用多种屏蔽措施。对于电场屏蔽的分布电容问题，通过将屏蔽地接入大地可解决。对于纯防磁的部位，例如强磁铁、变压器、大电机的磁场耦合，可采用高导磁材料作外罩，将外罩接入大地来屏蔽。

另一方面在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构,由于仪表和设备之间的参考点之间存在电势差(也就是各设备的共地点不同)因而形成“地环流”、“接地环路”问题。当环流很大时，会出现很高的共摸噪声电压，并通过分布参数耦合到信号线,或直接连接到电平信号线上,将产生很大的串模干扰,甚至损坏接口电路及设备，在各个过程环节中使用信号隔离器，断开过程环路，同时 又不影 响过程信号的正常传输，从而彻底解决地环流的问题。

3） 输入输出电路引入的干扰

为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出应分别使用各自的电缆；对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地， PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。

为了实现输入输出电路上的完全隔离，近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用，由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系;而且发光二极管动态电阻非常小，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;因此，即使是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。光电耦合输入电路如图1所示。

4）电磁辐射干扰

一方面电磁干扰产生的根本原因是导体中有电压或电流的变化，即较大的dv/dtdi/dt.dv/dt或di/dt能够使导体产生电磁波辐射。另一方面，来自空间的辐射干扰，空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径；一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

工业现场电磁环境复杂，有时只采用硬件措施不能完全消除干扰的影响，必须用软件措施加以配合。PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用它们设计一些程序，可以屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作，提高系统的抗干扰能力。

1）利用PLC内部定时器，屏蔽输入端可能出现的误信号

在PLC组成的自动控制系统中，每一次循环，各工步的动作时间通常是固定不变的，行程开关(或其它敏感元件，如光电开关)总是在该工步的同一时刻发出信号。根据这一特点，用两个内部定时器，限定PLC只在该开关正常发信号的时间内采样，就可屏蔽掉其它时间可能发出的误信号――干扰信号。图2所示是以FX2N--48MR型PLC控制为例，某自动生产线上对输入X000采样的梯形图程序及时序图。

2）利用PLC内部计数器，消除输入元件触点“抖动”干扰

图1 常用光电耦合接线方式

图2 利用定时器屏蔽输入端的误信号

图3 利用计数器消除抖动

在PLC控制系统中，由于外界干扰的影响，有些输入元件在接通时，会发生触点时断时续的“抖动”现象而发出错误信号。如图3a所示，消除这种干扰的方法是利用计数器经适当编程来实现。

3）控制状态失常的软件对策

在条件控制系统中，人们关注的问题是能否确保正常的控制状态。如果干扰进入系统，会影响各种控制条件，造成控制输出失误。为了确保系统安全可以采取下述软件抗干。

1）软件冗余

对于条件控制系统，将控制条件的一次采样、处理控制输出改为循环采样、处理控制输出。这种方法具有良好的抗偶然因素干扰作用。

2）设置当前输出状态寄存单元

当干扰侵入输出通道造成输出状态破坏时，系统可以及时查寻当前输出状态寄存单元的输出状态信息，及时纠正错误的输出状态。

3）设置自检程序

在计算机系统鹊奶囟ú课换蚰承却娴ピ设状态标志，在运行中不断循环测试，以保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。

5 结束语

PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，如何进一步提高PLC控制系统的抗干扰能力，多种方法和措施正在研究探索之中。通过正确选择硬件设备和线路，还可充分利用PLC本身软元件，灵活巧妙地编程等措施，有效地提高系统的抗干扰能力。

参考文献：

[1] 林金钳，严培奇.PLC控制系统的电气隔离技术[J].电气时代,2005,01.

[2] 周志敏,徐霞,纪爱华.PLC控制系统电磁兼容技术――工程设计与应用[J].人民邮电出版社.2006.