PLC控制系統(tǒng)干擾原因及解決措施*

張艷兵

(膠州市職業(yè)教育中心,山東 膠州 266300)

1 干擾的分類

PLC系統(tǒng)的干擾主要是電力場和電磁場輻射干擾.主要由兩種途徑形成干擾：一是由于電路波動，直接對PLC內(nèi)部元件的干擾；二是通信線路受到輻射感應(yīng)出其它非工作信號而產(chǎn)生的干擾.電力干擾與所用電源的性能存在著很大的關(guān)系，電磁干擾與所在場所的設(shè)備的功率、放置位置、產(chǎn)生的磁場大小及頻率有關(guān).下文介紹了幾種干擾及解決措施.

1.1 電源引起的干擾

PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電力電網(wǎng)供電.電網(wǎng)電力的干擾、波動直接影響PLC系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，造成PLC控制系統(tǒng)的干擾故障情況很多.例如筆者曾整改一設(shè)備：一臺塑料機(jī)械設(shè)備在運行初期所有溫度顯示都正常，但經(jīng)過開機(jī)運行一段時間后有6個K分度熱電偶信號超出量程信號.用示波器檢測溫度變送器直流電源，發(fā)現(xiàn)其間歇性存在40V、50HZ左右的干擾電壓，超出溫度變送器的工作電壓.經(jīng)排查溫度變送器線路與控制電機(jī)的變頻器線路是共線槽走線，變頻器作為電機(jī)的電源提供者在工作中會進(jìn)場產(chǎn)生電源波動，這就可看作是由電源引起的干擾.所以PLC供電電源、各種變送器的供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的各種儀表的供電電源是對PLC系統(tǒng)產(chǎn)生干擾主要原因.另外還有各種高容抗，屏蔽性能差的電器，其干擾信號通過等感應(yīng)、耦合等方式進(jìn)入PLC控制系統(tǒng)的信號采集線路.

1.2 接地引起的干擾

PLC控制系統(tǒng)基本單元必須接地，擴(kuò)展單元接地點與基本單元接地共點.同樣各種電源系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等也都有接地，但各種線路接地也是有要求的.PLC接地引起的干擾主要是由于PLC系統(tǒng)接地、交流接地、屏蔽接地和保護(hù)接地等接地混亂，使各個接地點之間存在著電位差，在線路上產(chǎn)生非工作電流，從而影響系統(tǒng)的正常工作.在此要強(qiáng)調(diào)的一點是：PLC系統(tǒng)盡量要用帶屏蔽層的電纜，電纜屏蔽層必須有且僅有一點接地，如果兩端都接地，一方面，兩點間會存在電位差，在屏蔽層上產(chǎn)生出非工作電流，產(chǎn)生干擾信號；另一方面就是屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在交變磁場的作用下，屏蔽層感應(yīng)出電流.筆者曾遇到一水泵設(shè)備，水泵運行時被監(jiān)控的模擬量信號的顯示值出現(xiàn)漂移，檢查PLC采樣模擬信號正常，直流供電輸出正常，但交流供電負(fù)極存在25V、50HZ左右的干擾電壓.經(jīng)排查此電壓即是因接地系統(tǒng)紊亂引起的，遠(yuǎn)程控制的綜合水泵房采用同軸電纜連接，而同軸電纜的屏蔽層兩端都同時接了地.

1.3 外部信號引入的干擾

通常PLC系統(tǒng)傳輸線路中的信號，除了有效工作信息外，還有其它干擾信號.此類信號使輸入信號不能表現(xiàn)為正常工作信號，隔離性能比較差的系統(tǒng)，會導(dǎo)致信號間相互干擾，使PLC控制系統(tǒng)發(fā)出錯誤指令，導(dǎo)致設(shè)備的可靠性和精度大大降低，造成數(shù)據(jù)錯誤，設(shè)備誤動作，甚至引起設(shè)備機(jī)械損傷.因信號干擾造成PLC控制系統(tǒng)輸入輸出部件損壞，而引起生產(chǎn)故障的情況也很多.還是上例水泵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，進(jìn)行遠(yuǎn)動實驗操作沒有反應(yīng).經(jīng)檢查線路的物理連接正常，DI信號在PLC端有信號，而水泵控制端無信號.經(jīng)排查因線路過長，且電纜屏蔽性較差，電纜通路中間有100V左右的交流干擾電壓，干擾信號造成PLC無法識別原輸入信號.

2 幾種抗干擾措施

2.1 采用品能優(yōu)秀的電源

采用隔離性能較好的電源，選擇分布容抗小、抑制帶大，具有多次隔離或屏蔽技術(shù)的電源，可以減少對PLC系統(tǒng)的干擾.主要方法有加裝隔離、屏蔽、濾波、品能優(yōu)秀的穩(wěn)壓電源等設(shè)備.設(shè)置濾波、隔離、屏蔽的作用主要是為了抑制電源線的干擾信號傳導(dǎo)到PLC系統(tǒng)中；設(shè)置穩(wěn)壓電源的作用是為了將電網(wǎng)大容量設(shè)備起停引起電壓波動與PLC系統(tǒng)隔絕開來，以防止電力暫態(tài)沖擊通過輸電線路和空間輻射傳遞過來，保持電壓的穩(wěn)定供給.另外還可以將供電系統(tǒng)分離開來.其它用電系統(tǒng)與PLC的控制系統(tǒng)分別設(shè)置獨自的隔離變壓器，并與主電源分開，這樣當(dāng)其它用電系統(tǒng)斷電時，不會影響到PLC控制系統(tǒng)的電力穩(wěn)定.

另外，因不間斷電源即UPS具有較強(qiáng)的干擾隔離性能，所以使用UPS給PLC供電，可有效減少電源波動對PLC系統(tǒng)的干擾，并且供電的安全可靠性也大大提高，所以在線式不間斷電源是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源.

2.2 正確敷設(shè)線纜，防止信號互侵

不管是接地原因引起的干擾還是外部非工作信號侵入引起的干擾，歸根到底多數(shù)原因都是線纜沒有正確的敷設(shè)和接地引起的.通常為抑制在電源側(cè)及輸入、輸出側(cè)的干擾，可以采用專用地線.良好的接地方式可在很大程度保證信號采集的正確性，能有效的防止外部干擾侵入，提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力.

在工作現(xiàn)場環(huán)境中為了減少供電線路尤其是動力線路產(chǎn)生的信號干擾，例如變頻器裝置饋電線路的干擾，大多采用了有銅帶鎧裝屏蔽層的電力電纜，以減少干擾.

工作現(xiàn)場應(yīng)按傳送信號的種類來分別敷設(shè)電纜，不同類型的信號由不同的電力電纜傳輸，避免動力電纜與信號線纜因靠的太近或平行敷設(shè)而造成干擾，同一電纜的不同導(dǎo)線部分嚴(yán)禁用來分別傳送動力和弱電信號，以減少電磁干擾.另外，各條線纜也要分類可靠接地，并且滿足接地電阻的需求.

2.3 硬件濾波

選用品能優(yōu)良的電源、隔離性能較好的電氣設(shè)備，動力線和信號線合理走線，能解決干擾，但對于大型的設(shè)備比較繁瑣，工作現(xiàn)場也往往不易操作并且成本很高.所以在實際工作中一般利用信號隔離器濾波器來解決此種情況的干擾問題.在信號輸送到處理器之前，可以在信號線與地之間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極之間加裝硬件濾波器來減少差模干擾.硬件濾波器其濾波工作過程中最主要的功能就是信號轉(zhuǎn)換與調(diào)制解調(diào).信號隔離器首先將PLC準(zhǔn)備接收的信號，通過半導(dǎo)體元件調(diào)制轉(zhuǎn)換，將電信號調(diào)制成磁或光信號，通過磁感或光感元件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并在此過程中對非工作信號進(jìn)行隔離，然后再進(jìn)行解調(diào)變換回隔離前工作需要的原信號.保證變換后的信號、電源、地之間絕對獨立.減少下級的控制回路中公共接地、變頻器、電磁閥及不明脈沖對設(shè)備的干擾，消弱環(huán)境噪聲對測試電路的影響.在有干擾的地方，輸入端和輸出端中間加上信號隔離器，就可有效解決干擾問題.另外加裝繼電器，節(jié)點信號經(jīng)繼電器隔離轉(zhuǎn)換后送至PLC，也可有效濾除干擾.

2.4 軟件抗干擾

雖然在PLC控制系統(tǒng)中采用了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號產(chǎn)生的復(fù)雜性和隨機(jī)性，很難保證系統(tǒng)完全不受外界干擾.因此可以在實施硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，設(shè)計PLC程序和組態(tài)時使用軟件濾波措施加以補充.軟件濾波抗干擾方法簡單、靈活方便、成本低.

例如：為克服因偶然因素引起的脈沖干擾多用兩次采樣允許的最大偏差值的限幅濾波法或連續(xù)采樣取中間值的中位值濾波法以及算術(shù)平均濾波法；如需要針對周期性干擾采用遞推平均濾波法或一階滯后濾波法等；另外，還有將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較的消抖濾波法等等.

下面先簡單介紹一個簡單的濾波程序.

假設(shè)有一系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動后,每隔10秒將數(shù)據(jù)寄存器D5～D1中的數(shù)據(jù)分別移到數(shù)據(jù)寄存器D105～D101之中,求D105～D101的平均值并存入寄存器D50中.

LD X00 //系統(tǒng)啟動

ANI T0

OUT T0 K100 //十秒移數(shù)據(jù)

LDP T0

BMOV D1 D101 K5 //數(shù)據(jù)批量傳送

LD X00

MEAN D101 D50 K5 //求平均值

下面舉例說明采用三菱FX2n系列PLC基于限幅和平均濾波電磁控制站中的軟件抗干擾程序.

對應(yīng)部分程序如下：

LD M8000

FROM K0 K10 D80 K12 10個取樣數(shù)據(jù)讀入

LD M111

SFWR D80 D49 K10 限幅、平均濾波

LD M8000

MEAN D50 D40 K10 求平均，將結(jié)果放入D40

SUB D50 D40 D60

………………………略

SUB D59 D40 D69

MUL D60 D60 D70 計算差值平方

………………………略

MUL D69 D69 D88

DMEAN D70 D90 K10 計算差均平方

DMUL D10 K10 D92

DDIV D92 K5 D94

SQR D94 D30 差均平方放入D30

DMUL D30 K3 D100

DSUB D40 D100 D102

DADD D40 D100 D104

ZCP D102 D104 D116 M110 剔除干擾

注：寄存器D40存放幅值，寄存器D30存放一系列采樣數(shù)值正態(tài)分布的均方差，輔助繼電器M110實現(xiàn)范圍判斷，將合格的數(shù)據(jù)輸送到PLC數(shù)據(jù)列.

說明：本程序初始化后，先從A/D模塊中讀入10個初始數(shù)據(jù)，計算出幅值和正態(tài)分布的均方差，再判斷新的采集數(shù)據(jù)是否符合相應(yīng)的數(shù)理統(tǒng)計規(guī)律的區(qū)間，如是，則替換數(shù)列第一個數(shù)據(jù)，如非，剔除.如此循環(huán).

PLC 控制系統(tǒng)的干擾的出現(xiàn)具有隨機(jī)性和復(fù)雜性，因此在實際工作的過程中應(yīng)綜合考慮各方面可能的因素，具體問題具體分析，采取適當(dāng)?shù)姆椒?，從而合理有效地抑制干擾，才能夠使 PLC 控制系統(tǒng)正常可靠的工作.

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