可編程序控制系統(tǒng)的干擾源及抗干擾措施淺析

【摘要】可編程序控制系統(tǒng)即PLC的穩(wěn)定性對工業(yè)的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟的正常運行起著至關重要的作用。本文在簡要闡明PLC控制系統(tǒng)干擾來源的基礎上，重點分析了電磁干擾對PLC控制系統(tǒng)的影響，并且對抗電磁干擾這一難題提出了切實可行的解決措施。

【關鍵詞】PLC控制系統(tǒng)；穩(wěn)定性；干擾源

引言

在冶金行業(yè)之中，PLC控制設備通常情況下會被配置在強電電路、強電設施所共同構成的相對比較惡劣的電磁環(huán)境里面，在這樣的環(huán)境之中，PLC控制系統(tǒng)很容易受到各種各樣工業(yè)性電磁輻射的影響，因此，只有切實提升PLC控制系統(tǒng)的抗干擾水平，在系統(tǒng)結構設計、設施配置、系統(tǒng)維修過程中運用高效可行的方法，才可以提升PLC控制系統(tǒng)的安全性、可靠性。

1、電磁干擾的具體種類及其可能會造成的影響

對PLC控制系統(tǒng)容易造成影響的干擾源一般都會出現(xiàn)在電流以及電壓變化特別突出的位置，電荷可能會出現(xiàn)強烈波動的位置實際上就是干擾源頭。根據(jù)噪聲出現(xiàn)緣由的不同，可以將具體的干擾種類分成如下幾種：放電產(chǎn)生的噪聲、高頻振動產(chǎn)生的噪聲、浪涌產(chǎn)生的噪聲等；根據(jù)噪聲具體性質以及波形的不一樣，可以將噪聲分成持續(xù)性的噪聲、偶然發(fā)生的噪聲等；根據(jù)噪聲干擾的方式方法的差異，可以將噪聲分為共模的噪聲和差模的噪聲等。

雖然干擾種類按不同緣由有多種分法，但目前普遍認為共模干擾和差模干擾是一種比較科學合理的分類方式。對共模干擾而言，它主要是由干擾電壓與信號電壓產(chǎn)生共振所致。這里的干擾電壓主要包括周圍電線的錯誤串聯(lián)、地電位差以及大氣層中電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)（同方向）電壓疊加所形成。由于共模電流會對周圍的電路產(chǎn)生很強的輻射干擾，故其產(chǎn)生的共模電壓相對較大，尤其是對于絕緣性能較差的配電器供電來說，由于較高的共模電壓的存在，造成變送器輸出的信號不穩(wěn)定。據(jù)有關報道指出，該共模電壓有時可高達130V。此外，由于不完全對稱電路的影響，使得共模電壓極易轉化為差模電壓，不僅損壞其中的某些構件，尤其是I/O模件的損壞大部分都是由此引發(fā)的，而且使測控信號受到極大的影響。上述共模干擾的電流既可以使直流電，也可以是交流電。與此相反，差模干擾主要由空間電磁場在信號間耦合感應及不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓，這種電壓直接疊加在信號上，直接影響測量和控制精度。

2、PLC系統(tǒng)的主要干擾源

2.1大氣層電磁波的干擾

由于PLC系統(tǒng)周圍存在著各種各樣的電力線，這些電力線則會通過相互接合而產(chǎn)生較強的電磁場，從而對PLC系統(tǒng)產(chǎn)生了較強的輻射干擾。如果我們將PLC系統(tǒng)放在上述的大氣層電磁場中，該系統(tǒng)則強烈的被周圍的電磁場所干擾。

研究發(fā)現(xiàn)，大氣層電磁波對PLC系統(tǒng)的影響主要由兩個方面組成：首先是電磁波對PLC內部有直接的輻射，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是電路相互感應直接產(chǎn)生的干擾；其次電磁波對PLC通信網(wǎng)絡的輻射，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生則是由通信電路相互感應而引入的干擾。PLC系統(tǒng)的設備的擺放位置及各個設備能產(chǎn)生電磁場的強弱是造成輻射干擾的主要原因，尤其值得一提的是每個設備所產(chǎn)生電磁場的頻率。目前，普遍的保護措施是將電纜和PLC系統(tǒng)的某些部分進行屏蔽，此外，也有對一些高壓且容易泄露的元件進行一定程度的屏蔽。PLC系統(tǒng)受干擾方式如圖1所示。

2.2系統(tǒng)本身不合理布局所產(chǎn)生的干擾

對PLC控制系統(tǒng)而言，各個設備不合理的選擇及布局會對PLC控制系統(tǒng)的正常運行造成嚴重的干擾，甚至不恰當?shù)默F(xiàn)場施工也會導致嚴重的干擾現(xiàn)象。下面，我們將從三個方面闡述其干擾原理：

首先，供電電源所導致的干擾。正常情況下，電網(wǎng)為PLC系統(tǒng)供電，但由于電網(wǎng)的涉及面較廣，電網(wǎng)本身也要受到大氣層電磁場的干擾，并且會在電線路上產(chǎn)生感應電壓。其中，電網(wǎng)自身一旦發(fā)生改變，如電網(wǎng)的開啟或關閉、大型電力設備的啟動與停止、交流電與直流電相互傳動所引起的諧波以及電網(wǎng)短路等的沖擊，都會對PLC控制系統(tǒng)造成嚴重干擾。理論條件下，PLC電源是絕對絕緣的，但實際操作中，受到各種客觀因素的限制使得其絕緣性能不能達到理想狀態(tài)，故絕對絕緣是不存在的。其次，各類信號傳輸線會對控制信號產(chǎn)生干擾。大多數(shù)情況下，PLC控制系統(tǒng)在傳輸各類有效信息的同時，由于受到各類信號采集線的影響，總會受到其他信號的干擾。這種干擾信號的產(chǎn)生主要包括兩方面的因素：其一主要是由于供電電源的干擾，包括變送器和共用信號儀表的供電電源；其二是共模電壓的形成對系統(tǒng)造成的干擾，這主要是由于信號線受大氣層的電磁輻射所產(chǎn)生的信號干擾。此類干擾不僅會導致I/O信號工作中斷，而且還會大大降低I/O信號的測量精確度，最后，還有可能損壞系統(tǒng)的元部件。對絕緣性能較差的PLC控制系統(tǒng)來說，這些干擾還將引起信號間的互相干擾，從而導致該系統(tǒng)總線產(chǎn)生回流，造成的直接影響就是邏輯數(shù)據(jù)發(fā)生改變，甚至整個系統(tǒng)會死機。

3、抗干擾的主要措施

為了保證PLC系統(tǒng)能夠正常工作，相關工作人員在設計PLC系統(tǒng)時，會采取一些切實可行的措施，使得PLC系統(tǒng)避免遭受或者減少各種電磁干擾。具體實施主要有三個方面：其一是盡量控制干擾源；其二是對電磁干擾在傳播過程中進行阻斷或者減弱；其三，主要是使系統(tǒng)的配置更加合理以及增強其總體的抗干擾能力。

3.1設計具有較強抗干擾能力的電源

電源在PLC控制系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，因此，在電源的選擇上，應盡量選取電壓變化不大、波形不易變錯的電源。一般會采取一些改進PLC交流電源系統(tǒng)的措施，來增強其抗干擾的能力。主要措施有：首先，為了抑制電網(wǎng)的干擾，將絕緣變壓器接在PLC電源的輸入端，使得絕緣變壓器直接向PLC輸出、供電。其次，為了避免交流電源輸入時產(chǎn)生的高頻電流以及諧波，將低通濾波器接在PLC電源的輸入端，如下圖2所示。最后，目前普遍采用不間斷電源（UPS）在線供電，這樣不僅增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，而且提高了系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性。此外，選擇配電器時，應盡量選擇電容分布較小、絕緣性能較好的變送器和共用信號儀表，從而使得PLC系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強。

3.2設計減少電纜輻射干擾的措施

其一，如果是使用芯線比較多的信號電纜，則不能將I/O線和其它控制線共用一根電纜。其二，如果與其他電纜橋架或支架平行敷設時，則各個橋架以及支架之間必須保持至少300mm的距離。其三，若PLC控制系統(tǒng)的電源容量為400V、10A或220V、20A時，I/O線與電源線之間的距離必須大于300mm。此外，除設備連接點外，如果I/O線與電源線不可避免的敷設在同一電纜槽溝時，則必須采取相應的措施將二者屏蔽，通常使用的方法是用帶接地的分隔板將它們隔離開來。其四，交流電流的輸入/輸出信號和直流電流輸入/輸出信號，不能使用同一根電纜，應分別使用各自電纜。其五，大于30m的長距離配線時，輸入信號與輸出信號應分別使用各自電纜。其六，各種晶體管的設備以及集成電路的輸入/輸出所用的信號線，一定要使用屏蔽電纜。屏蔽電纜接地的處理方法是一端接地，主要是集中在控制側接地。最后，如果I/O信號線的模擬量比較長，則采用4～20mA電流信號，因為電流信號一般不會受到干擾。此外，應分別將模擬量信號和數(shù)字傳輸線分開布線，同時還要分別將屏蔽層與地相接，從而減少電纜輻射的干擾。

3.3濾波措施

濾波一般包括硬件濾波和軟件濾波。主要采用的硬件濾波法有：

其一，為了減少共模干擾，需要在信號接入PLC之前，將電容并接在信號線和地之間。當然，也可以裝一個濾波器在信號兩極間，以弱化差模干擾。其二，對于PLC控制系統(tǒng)的重要元件，如電源變壓器、中央處理器等，須進行屏蔽處理。通常使用的方法是選擇導電性能和導磁性都好的材料，來避免外界信號的干擾。其三，及時校正電源和保護電源。電源一旦發(fā)生波動，將會產(chǎn)生錯誤的電壓，從而嚴重影響對PLC和I/O的構件。一般來說，用多級濾波對CPU核心元件所需要+5V電源進行處理，并用集成電壓調整器進行調整，來減少交流電網(wǎng)的在不斷變動的過程中產(chǎn)生的電壓過大或電壓不足的影響。其四，隔離。在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地把他們隔離開來，以防外部的干擾信號或地線環(huán)路中產(chǎn)生的干擾信號通過公共線進入PLC系統(tǒng)，從而影響其正常工作。主要采用的軟件濾波法有：其一，軟件數(shù)字濾波法。該方法適用于較低訊噪比的模擬量。其二，最大值濾波法。該方法適用于存在隨機干擾系統(tǒng)變化較大的情況，即連續(xù)采樣數(shù)次，直至某次的采樣值遠遠大于前面的采樣值，那么就把這次的采樣值去掉，采樣也到此為止。其三，平均值濾波法。該方法適用于某下參數(shù)會在一定范圍內經(jīng)常波動的情況，比如壓力、液面、位移等參數(shù)。與最大值濾波法不同的是，此方法使用所有采樣次數(shù)n次的平均值作為最終值。n的取值一般為：流量n=12，壓力n=4。最后，加權平均法。相關研究證明，這種方法對工頻干擾的抑制遠遠超過單一積分器。

3.4接地點及接地系統(tǒng)的選擇和完善

通常是為了安全起見，系統(tǒng)需要接地，而且接地也可以起到抑制干擾的作用。為避免PLC受到電磁干擾，設計恰當?shù)慕拥叵到y(tǒng)是至關重要的。接地系統(tǒng)一般常用直接接地法即一點接地法。受信號電纜和輸入裝置濾波的影響，PLC輸入信號與輸出信號的更換頻率必須小于1MHz，故接地線使用一點接地方式為最佳。集中布置的PLC系統(tǒng)適用于并聯(lián)一點接地，分別用各自的接地線將每個配有PLC的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。特別需要注意的是，當信號源不接地時，輸出信號的電纜屏蔽層必須在PLC側接地，反之，屏蔽層在信號側接地。此外，還需要注意的是各個信號線之間盡量不要有接頭，如果有接頭時，必須牢固連接電纜屏蔽層并且要進行絕緣處理。同時，如果測點信號多的地方的屏蔽層與多芯的屏蔽電纜連接時，各個屏蔽層之間必須做好絕緣處理，并且選擇合適的地方進行單點接地。切忌兩點或多點接地，因為各個接地點之間會產(chǎn)生電路耦合，對系統(tǒng)的正常工作帶來嚴重的影響。

4、結語

本文通過簡要闡述PLC控制系統(tǒng)面臨的干擾因素，并重點探究了如何增強其抗干擾的能力、提高其穩(wěn)定性的諸多措施。由于在實際操作中，對PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常之高，故相關工作人員必須以最大限度減少干擾為原則，同時盡量簡化其設備，不僅經(jīng)濟節(jié)約實用，而且為PLC控制系統(tǒng)的正常運行提供最堅實的保障。當然，我們在今后的研究過程中，不斷研發(fā)新的抗干擾措施，為PLC控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展應用做貢獻。

參考文獻

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