浅析PLC控制系统的干扰来源及抗干扰策略
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作者: 杨保香
［摘要］作者在详细分析PLC控制系统的各种干扰来源的基础上,提出了相关的抗干扰策略。这些策略对于PLC系统在工业控制中的应用有一定的实用价值。
［关键词］PLC干扰策略
一、引言
随着科学技术的发展,PLC在工业控制中的应用越来越广泛。但在特别恶劣的应用环境中,如强电场、强磁场、剧烈的冲击和振动环境,PLC控制系统并不一定能可靠地工作；为提高PLC控制系统的可靠性,首先要认真分析相应的应用环境中各种可能产生干扰来源,在此基础上选择可靠性强的PLC及相关模块,从硬件的角度如工程设计、施工布线、使用维护等进行抗干扰设计,改善系统的抗干扰能力，采取合适的抗干扰方式是关系到整个系统可靠运行的关键。
二、PLC控制系统中干扰的主要来源
1.来自空间的辐射干扰
空间的辐射电磁场主要是由电力网络、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,就会收到辐射干扰,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；二是对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。
2.由电源线引入的干扰
PLC控制系统的供电电源一般由电网供给。由于电网覆盖范围宽广,其受到各种各样的空间辐射的干扰,这些干扰在网路中引起感应电流和感应电压。电网线路上挂接了各种用电设备,如大功率电动机、交直流传动装置、变频器、家用电器等等,这些设备的启、停会引起电网的电流电压波动。另外,电网线路的断路、短路等等都会影响由其进行供电的PLC控制系统。PLC电源通常采用隔离电源,但由于结构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。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。
3.来自PLC系统内部的干扰
主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生,这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容,应用部门是无法改变,但要选择具有较多实践应用或经过考验的PLC系统。
4.由信号线引入的干扰
与控制系统相连的信号输入输出线在传输有用信号的同时,很多的干扰信号也沿着传输线进入PLC控制系统。这些干扰传入控制系统内部通过以下两种途径: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,这往往被忽视；②信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰。由信号引入干扰会引起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。对于隔离性能差的系统,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、误动和死机。
5.由地线引入的干扰
地线的连接方式不当,会引起地环流。地环流在屏蔽线内部产生电磁场,进而干扰屏蔽线,造成信号的失真。
三、PLC控制系统工程应用的抗干扰方式
为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰,必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施:抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。
1.设备选型
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注意要按我国的标准(GB/T13926)合理选择。
2.综合抗干扰策略
主要考虑来自系统外部的几种抑制措施。主要内容包括: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,特别是原动力电缆,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。
3.电源的抗干扰策略
在PLC控制系统中,电源占有极重要的地位。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。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。此外,为保证电网馈点不中断,可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电,提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能,是一种PLC控制系统的理想电源。
4.空间电、磁场干扰的屏蔽与抑制
为减小空间电磁场对信号线的干扰,可以采用多种技术。要将弱信号线远离强信号线敷设,尤其是动力线路,保持这些导线间的距离在一米以上。其次要避免平行走线,也可以减小电磁的干扰。克服电磁干扰的另一个有效的办法是屏蔽和屏蔽层的正确接地。正确接地的屏蔽既能克服电场干扰又能减小磁场的干扰。
5.正确选择接地点并完善接地系统
（1） PLC 接地最好采用专用接地极, 绝对不允许与大功率晶闸管装置和电机等设备共用接地系统。
（2）PLC 接地与 PLC 距离越短越好。如果 PLC 由多单元组成, 各单元应采用同一点接地, 以保证各单元之间电位相等。
（3）PLC 输入、输出信号线所用屏蔽电缆的屏蔽层应采用一点接地。
（4）接地线截面积应大于 2mm2, 接地线一般最长不超过 20m, 接地电阻应小于 4Ω
四、结束语
PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题,在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素。要做到很好地抑制和屏蔽干扰,首先必须结合特定的现场环境条件,找出可能的干扰源,然后有针对性地设计抗干扰措施。在实际开发过程中,主要在抗干扰方面采取适当的保护措施，可以使系统更加安全可靠。
参考文献：
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[4]谢克明:可编程控制器原理与程序设计［M］.北京：电子工业出版社，2002
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