PLC系統(tǒng)接地的重要性及干擾的抑制

王 勇

（廣東紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，佛山 528000）

1 PLC接地的重要性

1.1 PLC接地的基本作用和接地的特殊性

1.1.1 PLC接地的作用

PLC和計算機的接地系統(tǒng)包括以下幾種，信號地、電源地和安全保護地、此外在信號傳輸線路、動力和信號電纜上還需要有屏蔽地。這些接地系統(tǒng)都需要與地面相連，其主要的作用是：為PLC系統(tǒng)提供一個信號的標(biāo)準(zhǔn)零電位；消除設(shè)備金屬外殼上的感應(yīng)電壓和電容存儲的電量；吸收較小的漏電電流或者消除地域距離差異引起的靜電電勢等等。因此在實時傳輸?shù)南到y(tǒng)中接地時抑制干擾和保護系統(tǒng)安全的重要手段。

1.1.2 PLC接地的特殊性

在沒有出現(xiàn)PLC之前，計算機和控制系統(tǒng)計算機剛剛開始應(yīng)用的時候，為其專門設(shè)計的接地系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)是接地電阻為4Ω。隨著計算機應(yīng)用到工業(yè)自動化之后，根據(jù)經(jīng)驗人們將工業(yè)計算機接地的關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)定為2Ω。以前在供電、接地、抗干擾、系統(tǒng)全浮空、計算機電源和保護地與信號是各自分開的，這種獨立接地是比較認可的一種方式。但是，隨著PLC的出現(xiàn)和應(yīng)用，其一個重要的特點是它的I/O接口和外界有極強的隔離安全工藝。PLC系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是單獨接地還是分開接地，標(biāo)志著PLC技術(shù)的發(fā)展水平。以往的計算機和PLC強調(diào)本身隔離和信號浮空?？墒荘LC系統(tǒng)要單獨接地，也就是需要一套獨立的接地系統(tǒng)。目前的技術(shù)可以使PLC直接就地供電。對三相四線值電路中的N和PE，當(dāng)PLC系統(tǒng)接地后幾乎不能將其分開。實際和倫理中所提及的統(tǒng)一接地，實際上就是力求電壓接地可以達到PLC要求的同一水平。這就是目前PLC接地的特殊性。

1.2 PLC接地的方法

在PLC為核心的控制系統(tǒng)中，可以使用多種接地方法，而每種接地線匯都要集中在一個理論的點上，這就是零電位基礎(chǔ)。為了安全的使用PLC，應(yīng)當(dāng)區(qū)別以下幾種接地方法。

數(shù)字地。即邏輯地，它是各種開關(guān)信號，數(shù)字信號的“0”電位。

模擬地。即模擬信號的零電位，這時模擬信號使用的精密電源的零電位，它的“0”是十分嚴(yán)格的電平。

信號地。通常是指一般的傳感器的地。

交流地。系統(tǒng)使用的交流電源地線，主要的噪音產(chǎn)產(chǎn)生的地方。

直流地。是直流電源電壓的標(biāo)準(zhǔn)起點，在非浮空的直流電源供電下，作為地線，進行接地連接。

屏蔽地。即防止靜電、磁場感應(yīng)而設(shè)置的外殼或者絲網(wǎng)，為了消除這些裝置上的電荷，一般用導(dǎo)線將其與地面直接連接。

保護地。一般是指機器、設(shè)備的外殼或者設(shè)置的獨立的器件的外殼，外殼與內(nèi)部是絕緣的，外殼接地是用來保護人身和防護設(shè)備漏電的，因此保護地必須是良好的接地。

1.3 PLC接地的原則

在設(shè)備安裝的階段，要很好的利用各種接地，在安裝電源和地線之后才能將PLC通電和調(diào)試，這時應(yīng)當(dāng)遵循以下幾個原則。

就一點接地和多點接地而言，高頻電路應(yīng)當(dāng)進行就近的多點接地，低頻電路應(yīng)當(dāng)可以采用一點接地。低頻電路中，布線和元件間的電磁感應(yīng)很小，如果多點接地，回地環(huán)流過多就會產(chǎn)生干擾。因此低頻電路中一般采用的是一點統(tǒng)一對外接地。在高頻電路中，地線上具有電感，因而增加了接地的電阻，同時各個地線之間也會產(chǎn)生電磁的耦合。一般情況下采用的接地方式與設(shè)備的頻率有關(guān)，當(dāng)頻率低于1HZ的時候用一點接地；高于10MHZ的時候多點接地；頻率在1-10MHZ之間時，應(yīng)當(dāng)是具體的情況而定。

交流地和信號地一般不能通用一個載體。交流電源在傳輸信號的時候，在一段間隔的電源線上會產(chǎn)生一定的電壓，即跨步電壓。低電平信號傳輸需要沿線路的電平為絕對為“0”。為防止交流電對低電平信號的干擾，在直流信號的導(dǎo)線上要求增加起隔離作用的屏蔽層，另外不允許信號源于交流電公用一根地線。

將屏蔽地、保護地分別獨立接到接地銅排上，不允許將其和電源地、信號地在其它地方接在一起。在控制系統(tǒng)中，為了降低信號的電容耦合噪音，一般采用多種屏蔽措施。對于類似雷達、電臺等高頻輻射的干擾，可以采用金屬絲網(wǎng)作為屏蔽，即利用低電阻的金屬絲網(wǎng)或者外殼設(shè)置在關(guān)鍵的部位上。對于純防磁的現(xiàn)場，例如對強磁鐵、變壓器、大型電機的磁場耦合等，可以采用高導(dǎo)磁材料作為外罩，使磁回路閉合，然后將其接入大地，保護地采用一點接地。

模擬信號地和屏蔽地、模擬地的接地對系統(tǒng)也十分重要，每個生產(chǎn)PLC的廠家在提高模板時，都會有嚴(yán)格的連接原則。包括信號配線、外殼屏蔽、浮地、傳輸電纜的使用型號、截面面積、供電設(shè)備等。當(dāng)PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用的范圍較大的時候，要求避免將模擬量信號的傳輸距離過長，這時就需要使用很多的模擬量模板，應(yīng)當(dāng)注意的是把每塊模板設(shè)置在距離現(xiàn)場較近的擴展機箱上去；一些獨立功能，例如：集中溫度監(jiān)視、電子稱計量，常常涉及為獨立專用的系統(tǒng)來處理模擬量信息。在數(shù)字控制的集散系統(tǒng)DCS中，通常使用配置儀表、變送器來解決模擬量信號輸入的采集和傳輸、模擬量輸出信號的長距離傳輸。

綜上，接地對PLC系統(tǒng)是十分重要的，在施工或者安裝和調(diào)試中一定要注意規(guī)范和細節(jié)的掌握，這樣才能確保PLC系統(tǒng)的可靠運行。

2 PLC系統(tǒng)對干擾的抑制措施

2.1 對PLC產(chǎn)生干擾的因素

PLC控制系統(tǒng)的干擾源較多，從形式上可以分為內(nèi)部干擾和外部干擾。內(nèi)部干擾主要來自元件布局不合理造成的信號相互的串?dāng)_或者線路中存在電容性元件引起異常振蕩，還有數(shù)字地、模擬地和系統(tǒng)地處理不當(dāng)引起的干擾。外部干擾包括傳導(dǎo)型和輻射型干擾源，引起的干擾。傳導(dǎo)型干擾一般是通過電氣線路進入PLC系統(tǒng)的干擾信號，如按鈕、繼電器等工作時產(chǎn)生的觸電電弧，接觸線圈、繼電器線圈等感應(yīng)負載斷開是產(chǎn)生的浪涌電壓等；輻射型干擾主要是電磁輻射通過感應(yīng)進入PLC系統(tǒng)形成干擾信號。

2.2 PLC系統(tǒng)干擾抑制措施

在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的時候，一般可以通過對電源的合理選配、正確選擇接地方式、接地地點、系統(tǒng)輸入和輸出端處理等措施來抑制干擾源對系統(tǒng)的影響，以此來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。具體的措施如下：

2.2.1 針對電源系統(tǒng)采取的抗干擾措施

來自電源的干擾是影響PLC系統(tǒng)的主要因素之一，電源的干擾注意是通過供電線路的阻抗耦合產(chǎn)生的，各種大功率的用電設(shè)備，尤其是大功率的變頻器更是主要的干擾源。在干擾較強或者可靠性要求較高的場合，一般采取的抗干擾措施時在PLC的交流電源輸入端增加帶屏蔽隔離的變壓器和低通率的濾波器。

2.2.2 利用接地抑制干擾的措施

PLC控制系統(tǒng)中有很多中接地形式，主要的形式在前面已經(jīng)有所介紹，利用良好的接地可以保證對干擾有效的抑制。但是，PLC與強電設(shè)備最好要分別使用不同的接地裝置，接地的截面保證2mm2。而且PLC的接地點和強電的接地點距離應(yīng)當(dāng)保持10m以上的距離。

再有，屏蔽地、保護地不能與電源地、信號地?zé)羝渌拥剡B在一起，需要獨立接地。信號源接地時屏蔽層應(yīng)當(dāng)在信號側(cè)接地；信號源不需接地時，屏蔽層應(yīng)當(dāng)在PLC側(cè)設(shè)置接地。信號線中間如果有接頭，屏蔽層應(yīng)作絕緣處理，一定要避免多點接地。開關(guān)量信號線與模擬量信號線應(yīng)分開布線，而目都應(yīng)采用屏蔽線，并將屏蔽層接地。

2.2.3 I/O干擾抑制措施

當(dāng)輸入的信號源和輸出的驅(qū)動的負載都使用的是感性元件時，由于感性負載具有儲能作用，所以當(dāng)觸點斷開時產(chǎn)生高于電源電壓的反電勢；觸點閉合時，觸點的動作還會引起電弧，這些都會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。針對這一情況，交流電路可以在兩端并聯(lián)RC來抑制干擾；對于直流電路可以并聯(lián)續(xù)流二級管來抑制干擾。

在抑制外部的噪聲干擾時，一般利用的是光電耦合器。光電耦合器由輸入端的發(fā)光元件和輸出端的受光元件組成，利用光傳遞信息，讓輸入和輸出在電氣上完全隔離，并在抑制噪音干擾上起到了很好的作用，但是在使用的過程中要注意頻率不要過高，在低壓線路中使用的時候，傳輸?shù)木嚯x不宜超過100米。

2.2.4 布線中干擾抑制措施

PLC系統(tǒng)布線時，如普通的開關(guān)量信號對電纜沒有過多的要求，只是當(dāng)距離較遠時增加屏蔽電纜；如模擬信號和高速信號傳輸，應(yīng)選用屏蔽電纜；如有高頻信號傳輸，一般需選用專用電纜或者光纖電纜；如要求不高的低頻信號時，可以選用多芯帶屏蔽電纜。

PLC系統(tǒng)應(yīng)遠離強干擾源，且不能與高壓電器安裝在同一個開關(guān)柜內(nèi)，在柜內(nèi)的PLC應(yīng)遠離動力線，二者之間的距離應(yīng)當(dāng)大于20cm。信號線和功率線應(yīng)當(dāng)分開，電力電纜應(yīng)單獨走線，不同類型的線應(yīng)使用不同的線管和線槽，信號線計量要靠近地線或者接地的金屬線。PLC的輸入與輸出要分開走線，開關(guān)量與模擬量也應(yīng)分開敷設(shè)。傳送模擬信號的屏蔽線，其屏蔽層應(yīng)一端接地。為了泄放高頻干擾，數(shù)字信號線的屏蔽層應(yīng)并聯(lián)電位均衡線，其電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的1/10，并將屏蔽層兩端接地。如果無法設(shè)置電位均衡線，也可以一端接地。不同的信號線用同一個插接件時，要用備用端子或地線端子將它們隔開，以減少相互干擾。

2.2.5 利用軟件抑制干擾措施

在PLC系統(tǒng)中，由于各種干擾源的影響比較復(fù)雜，通過硬件上采取的抑制干擾的措施雖然可以最大限度上的減弱干擾，但是很難徹底消除。所以，在PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和工程組態(tài)上，還應(yīng)當(dāng)利用軟件的特殊設(shè)計來抑制干擾。如：采用數(shù)字濾波和延時消抖等方法，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

為提高輸入信號的信噪比，可采用多種軟件濾波方法來提高數(shù)據(jù)的可靠性?？蛇B續(xù)采樣多次，采樣間隔根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換時間和信號的頻率而定，采樣數(shù)據(jù)先后存放在不同的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)比較后取中間值或平均值作為當(dāng)前輸入值。常用的濾波方法有程序判斷濾波、中值濾波、滑動平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算術(shù)平均值濾波、去極值平均濾波等。

在振動工作環(huán)境中，一些開關(guān)會因為抖動而發(fā)出錯誤的信號，一般的抖動時間較短，針對這一特點，可以用PLC內(nèi)部定時器經(jīng)過一點點的延時，得到消除抖動后的可靠信號，從而抑制這種干擾。

[1] 黃鑫.論PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施[J].中小企業(yè)管理與科技,2009,(02).

[2] 李曉,沈冰泉.淺談PLC控制系統(tǒng)的抗干擾[J].鄂鋼科技,2007,(01).

[3] 張桂華.PLC電磁干擾及抑制與防護[J].淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2009,(03).

[4] 劉先鋒,李文紀(jì).PLC系統(tǒng)接地幾個誤區(qū)的思考[J].大眾科技,2008,(07).