PLC控制系統(tǒng)干擾及抗干擾措施分析

楊成彥

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.005

摘 要：PLC技術(shù)的進(jìn)步推動了企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及生產(chǎn)力的提高。結(jié)合信息化控制，調(diào)整好集約化轉(zhuǎn)型是當(dāng)前企業(yè)面對的重要發(fā)展路徑。PLC系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢，但其應(yīng)用過程中也會出現(xiàn)系統(tǒng)干擾問題，進(jìn)而影響到企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)。該文分析了PLC控制系統(tǒng)的各方面干擾因素，并從硬件和軟件兩個方面列舉了抗干擾的具體措施。

關(guān)鍵詞：PLC 控制系統(tǒng) 干擾 措施

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0005-02

目前，PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)在各個行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，其良好的通用性、簡單的操作性和維護(hù)性以及強(qiáng)大的可靠性在工業(yè)控制方面能夠起到很大的作用。雖然PLC控制系統(tǒng)本身的可靠性就很強(qiáng)，但如果工作環(huán)境非常差，強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場等會對PLC控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。因此，在一些對可靠性要求很高的應(yīng)用環(huán)境中，需要采取抗干擾措施，保證PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 PLC控制系統(tǒng)主要干擾因素

PLC控制系統(tǒng)在很多行業(yè)中都有大量的應(yīng)用，運(yùn)行環(huán)境也存在很大的差異。有些環(huán)境中存在著對PLC控制系統(tǒng)有較大干擾的因素。一般來說，可以將這些干擾因素歸結(jié)為PLC控制系統(tǒng)的外部干擾，這類干擾主要是空間感應(yīng)輻射干擾和系統(tǒng)外部接線干擾。PLC內(nèi)部干擾則是系統(tǒng)本身出現(xiàn)的問題，PLC模塊和I/O內(nèi)部各部件和線路之間產(chǎn)生的電磁干擾。

（1）來自空間感應(yīng)和輻射的干擾。PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中一般都存在著大量的電場和磁場，在PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，會受到這些電場、磁場的持續(xù)干擾。電磁場的產(chǎn)生，主要來源于電力網(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)等，如果PLC控制系統(tǒng)自身的屏蔽效果太差，也會產(chǎn)生電磁場。這類電磁場都屬于輻射干擾，PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境不同，輻射干擾的成分也會存在差異。輻射干擾的分布情況非常復(fù)雜，而且一般范圍都非常大，如果PLC控制系統(tǒng)處于輻射范圍內(nèi)，就會受到輻射干擾。輻射對于PLC控制系統(tǒng)的干擾是通過兩個方面進(jìn)行的，一方面是對PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部電路的直接輻射，發(fā)生電路感應(yīng)產(chǎn)生磁場；另一方面是通過對PLC控制系統(tǒng)相關(guān)的通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，使通信線路發(fā)生感應(yīng)，產(chǎn)生干擾。輻射對PLC控制系統(tǒng)的干擾程度是由輻射的強(qiáng)度和頻率決定的。

（2）系統(tǒng)外部接線干擾。系統(tǒng)外部接線干擾又可以分為3種。其一，來自電源的干擾。PLC控制系統(tǒng)的用電一般是由電網(wǎng)提供，而電網(wǎng)的覆蓋范圍極其寬廣，在不同的地域會受到不同的輻射干擾，這些干擾會在電網(wǎng)線路中引起感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓，進(jìn)而由電網(wǎng)線路導(dǎo)入PLC控制系統(tǒng)，影響系統(tǒng)的正常工作。同時，電網(wǎng)線路中還接入了大量的用電設(shè)備，這些用電設(shè)備的開動和關(guān)閉都會導(dǎo)致電網(wǎng)中出現(xiàn)電流電壓的波動，進(jìn)而對PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。此外，電網(wǎng)線路難免會出現(xiàn)短路和斷路的情況，這同樣會對PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。目前PLC控制系統(tǒng)主要采用隔離電源，但是隔離效果并不明顯。其二，由信號線引入的干擾。PLC控制系統(tǒng)與大量的信號線相連，這些信號線不僅會傳輸有用的信號，還會導(dǎo)入干擾信號。這些干擾信號一方面可以通過變送器供電電源以及共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，另一方面則由信號線的外部感應(yīng)產(chǎn)生。信號線引入的干擾會導(dǎo)致I/O信號工作出現(xiàn)問題，嚴(yán)重影響測量精度，甚至?xí)?dǎo)致元器件的損壞。如果PLC控制系統(tǒng)的隔離性能不足，各種信號之間會互相干擾，引起總線回流，最終導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)的變化、誤動以及死機(jī)。其三，來自接地系統(tǒng)混亂的干擾。提高電子設(shè)備電磁兼容性的一個常用方法就是接地，良好的接地方法，可以有效屏蔽電磁干擾對PLC控制系統(tǒng)的影響，還能抑制設(shè)備向外發(fā)出的干擾；而如果接地方法不當(dāng)，系統(tǒng)混亂，就會起到相反的作用，引入更強(qiáng)的干擾信號，嚴(yán)重影響PLC系統(tǒng)的正常工作。

2 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施

2.1 硬件抗干擾措施

（1）PLC控制系統(tǒng)所受到的空間電磁輻射可以分為共模干擾和差模干擾。對于共模干擾，可以在干擾信號可能發(fā)生的信號線上設(shè)置共模扼流圈。差模干擾的解決措施則是使用差模干擾抑制器，差模干擾抑制器一般是由低通濾波元件構(gòu)成的，最簡單的差模干擾抑制器是在兩根電源線之間接入一個濾波電容，形成濾波電路，這樣的方法能夠起到良好的抗干擾效果，即使是對高頻干擾也能起到一定的抑制作用。

（2）對于系統(tǒng)外部接線的抗干擾措施。其一，采用良好的電源抗干擾設(shè)計。PLC控制系統(tǒng)的正常工作離不開電源，來自電源的干擾也是非常大量的，因此必須提高電源的抗干擾能力。PLC的外部供電最好從低壓配電室的主母線排上采取專用線供電，從而減少供電線路中接入的電子設(shè)備對PLC控制系統(tǒng)的影響。在電源供電線路設(shè)置完畢之后，還要接入PLC控制系統(tǒng)的專用穩(wěn)壓裝置，通過專用穩(wěn)壓裝置來提高PLC控制系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性。在PLC控制系統(tǒng)電源端子前面設(shè)置一個1∶1的隔離變壓器，再接入阻容吸收裝置。電源線最好使用雙絞線，在隔離變壓器和PLC控制系統(tǒng)之間使用雙絞線能夠有效減少電源線路上的外部干擾，如果能夠再在隔離變壓器前面接入一個濾波器則會起到更好的作用。其二，地線連接。對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行接地，可以分為工作接地和系統(tǒng)接地。工作接地中，PLC控制系統(tǒng)的控制柜要使用絕緣板與地面相互隔離。連線模擬信號的電纜屏蔽層只能在一端接地，如果兩端都接地，就會在信號電纜兩端存在電位差，等位電流通過屏蔽層進(jìn)入模擬回路形成共模干擾。輸入檢測信號線的電纜屏蔽層需要在PLC控制系統(tǒng)的控制柜進(jìn)行接地，輸出控制信號線的屏蔽層則是在被控設(shè)備進(jìn)行接地。通過這樣的接地方式，可以消除信號傳輸過程中產(chǎn)生的大部分干擾，對于無法消除的干擾信號，可以通過電容濾波或者信號光電隔離器進(jìn)行處理。PLC控制系統(tǒng)是高速低電平控制裝置，所以其系統(tǒng)接地采用直接接地的方式。PLC控制系統(tǒng)裝置之間的信號交換頻率大多不超過1 MHz，因此，PLC控制系統(tǒng)接地線適宜使用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地的方式。集中布置的PLC控制系統(tǒng)最好采用并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各個裝置的接地點(diǎn)通過專用的接地線與接地極相連。除此之外，還要對信號源進(jìn)行接地，此時在信號側(cè)設(shè)置屏蔽層，如果信號線中存在接頭，則屏蔽層必須進(jìn)行絕緣處理。

2.2 軟件抗干擾措施

軟件抗干擾措施主要是在計算機(jī)程序中應(yīng)用一定的計算方法，對信號進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，從而減少甚至消除干擾信號，提高信號的可靠性。軟件抗干擾能夠在節(jié)約成本的同時發(fā)揮削弱干擾的作用，其原理是采用數(shù)字濾波的方法，對輸入的信號進(jìn)行濾波，將干擾信號濾過。隨著計算機(jī)軟件技術(shù)水平的提高，軟件抗干擾方法的可行性也越來越高，這種低成本高效率的抗干擾方法能夠得到有效應(yīng)用。目前比較常用的數(shù)字濾波方法是平均值濾波、中位值濾波、限幅濾波以及慣性濾波等等。數(shù)字濾波不僅具有良好的穩(wěn)定性，而且可以通過對參數(shù)的修改，靈活應(yīng)對各種濾波需求。但是，在應(yīng)用數(shù)字濾波進(jìn)行抗干擾時，要注意回路的數(shù)量，避免因?yàn)榛芈窋?shù)量過大，而導(dǎo)致處理時間大幅增加，主程序無法在執(zhí)行周期內(nèi)執(zhí)行完畢，也就無法完成控制任務(wù)。

PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用愈加廣泛，其在實(shí)際工作中發(fā)揮的作用也越來越重要。對于PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作，在實(shí)際的工作中，有關(guān)人員要對PLC控制系統(tǒng)的干擾來源進(jìn)行科學(xué)分析，然后采取有效的抗干擾措施。

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