ＰＬＣ系統(tǒng)抗干擾控制技術(shù)設(shè)計

　　隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器（PLC）的應(yīng)用越來越廣泛。PLC系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。本文介紹了PLC運(yùn)行的干擾類型及來源，并提出抗干擾設(shè)計的實施策略。
　　
　　電磁干擾的類型及來源
　　
　　影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是干擾源，常分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài)(同方向)電壓疊加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電時，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，影響測控信號，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因），這種共模干擾可為直流，亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的，這種干擾疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。
　　電磁干擾的主要來源于下列三種情況：①來自空間的輻射干擾。主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的空間輻射電磁場（EMI），其分布極為復(fù)雜。②來自系統(tǒng)外引線的干擾。主要是通過電源和信號線引入的傳導(dǎo)干擾，主要有來自電源的干擾、來自信號線引入的干擾和來自接地系統(tǒng)混亂的干擾。③來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射、模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。
　　
　　抗干擾設(shè)計
　　
　　為了保證系統(tǒng)在電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾，必須從設(shè)計階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點就是抑制電磁干擾的基本原則。
　　PLC控制系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程，要求制造單位設(shè)計生產(chǎn)出具有較強(qiáng)抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使用部門在工程設(shè)計、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮，并結(jié)合具體情況進(jìn)行綜合設(shè)計，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。進(jìn)行具體工程的抗干擾設(shè)計時，應(yīng)主要注意以下兩個方面。
　　1.設(shè)備選型。在選擇設(shè)備時，首先，要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性，尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC系統(tǒng)；其次，還應(yīng)了解生產(chǎn)廠家給出的抗干擾指標(biāo)，如共模抑制比、差模抑制比、耐壓能力、允許在多大電場強(qiáng)度和多高頻率的磁場強(qiáng)度環(huán)境中工作等；另外，還要考查其在類似工作中的應(yīng)用實績。
　　在選擇國外進(jìn)口產(chǎn)品時要注意，我國是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。由于我國電網(wǎng)內(nèi)阻大，零點電位漂移大，地電位變化大，現(xiàn)場的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上，對系統(tǒng)抗干擾性能要求更高。在國外能正常工作的PLC產(chǎn)品在國內(nèi)工業(yè)不一定能可靠運(yùn)行，這就需要在采用國外產(chǎn)品時，按我國的標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13926)合理選擇。
　　2.綜合抗干擾設(shè)計。主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種抑制措施，內(nèi)容包括：對PLC系統(tǒng)及外引線進(jìn)行屏蔽，以防空間輻射電磁干擾；對外引線進(jìn)行隔離、濾波，特別是動力電纜應(yīng)分層布置，以防通過外引線引入傳導(dǎo)電磁干擾；正確設(shè)計接地點和接地裝置，完善接地系統(tǒng)。另外，還必須利用軟件手段，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。
　　
　　抗干擾措施
　　
　　1.采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾。 在PLC控制系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源（如CPU電源、I/O電源等）、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入。現(xiàn)在對于PLC系統(tǒng)供電的電源，一般都采用隔離性能較好的電源，而對于變送器供電電源以及和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表供電電源，并沒受到足夠的重視，雖然采取了一定的隔離措施，但普遍還不夠。主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大，抑制干擾能力差，經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以，對于變送器和共用信號儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù)）的配電器，以減少PLC系統(tǒng)的干擾。 此外，為保證電網(wǎng)饋電不中斷，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。而且UPS還具有較強(qiáng)的干擾隔離性能，是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源。
　　2.正確選擇電纜的種類和敷設(shè)方式。 為了減少動力電纜尤其是變頻裝置饋電電纜的輻射電磁干擾，筆者在某工程中采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，降低了動力線產(chǎn)生的電磁干擾。需要注意的是：不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應(yīng)按傳輸信號種類分層敷設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時傳送動力電源和信號，避免信號線與動力電纜靠近平行敷設(shè)，以減少電磁干擾。
　　3.硬件濾波及軟件抗干擾措施。信號在接入計算機(jī)前，可以在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾。另外，在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。由于電磁干擾的復(fù)雜性，要根本消除干擾影響是不可能的，因此，在PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和組態(tài)時，還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。常用的一些提高軟件結(jié)構(gòu)可靠性的措施包括：數(shù)字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾；定時校正參考點電位，并采用動態(tài)零點，可防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù)，設(shè)計相應(yīng)的軟件標(biāo)志位；采用間接跳轉(zhuǎn)，設(shè)置軟件保護(hù)等。
　　4.正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)。 接地的目的通常有兩個：一是為了安全，二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。
　　系統(tǒng)接地有浮地、直接接地和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz，所以，PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯(lián)一點接地方式。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨(dú)的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應(yīng)采用串聯(lián)一點接地方式，用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點，然后，將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于22mm2的銅導(dǎo)線，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻小于2Ω，接地極最好埋在距建筑物10～15m遠(yuǎn)處，而且PLC系統(tǒng)接地點必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點相距10m以上。
　　信號源接地時，屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地；不接地時，應(yīng)在PLC側(cè)接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)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蔽電纜連接時，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c接地。
　　PLC控制系統(tǒng)的干擾是一個十分復(fù)雜的問題，因此，在抗干擾設(shè)計中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，對有些干擾情況還需做具體分析，采取對癥的方法，合理有效地抑制干擾，才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作。