PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾設(shè)計(jì)

邢宇鵬 謝穎

[摘 ? ?要]PLC計(jì)算機(jī)控制設(shè)備廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，其大多工作在強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，如何降低電磁干擾對(duì)PLC控制系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行就十分重要。從電磁干擾信號(hào)的來源入手，提出了降低電磁干擾的方法，并在具體的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用，取得了較好的效果。

[關(guān)鍵詞]PLC;電磁干擾;抑制;有效途徑

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]PLC computer control equipment is widely used in the field of industrial automation， most of its work is in the harsh electromagnetic environment formed by strong electric equipment， how to reduce the influence of electromagnetic interference on PLC control system， it is very important to ensure the reliable operation of the system. Starting from the source of the electromagnetic interference signal， this paper puts forward a method to reduce the electromagnetic interference.

[Keywords]PLC;electromagnetic interference;represses;effective approach

PLC計(jì)算機(jī)控制設(shè)備廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。PLC的抗干擾能力直接影響到系統(tǒng)可靠運(yùn)行，所以提高其抗干擾能力非常重要。由于PLC大多工作于電機(jī)、變頻器等大功率設(shè)備所形成的交變電磁場(chǎng)內(nèi)，電磁環(huán)境差，極其容易被干擾，所以要保證PLC控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行，必須從硬件和軟件入手，采取必要的方法和手段，減小電磁干擾對(duì)其的影響。

1 電磁干擾信號(hào)的來源

PLC控制系統(tǒng)所受的電磁干擾程度，取決于其工作的環(huán)境，不同的工作環(huán)境其所受干擾的種類和強(qiáng)度也不相同，根據(jù)干擾類型，PLC控制系統(tǒng)所受到的電磁干擾分為以下幾種。

1.1 供電電源產(chǎn)生的電磁干擾

PLC通常采用的都是交流電源，而一般交流電源均存在電壓波動(dòng)，當(dāng)存在大功率用電設(shè)備，電網(wǎng)電壓波動(dòng)尤為明顯，電網(wǎng)中會(huì)含有一定的諧波成分，大功率用電設(shè)備造成的電壓波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，這些因素對(duì)PLC控制系統(tǒng)會(huì)造成干擾，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蒔LC在運(yùn)行中出現(xiàn)死機(jī)。電源的干擾類型如圖1所示。

1.2 工作環(huán)境的輻射電磁干擾

如果PLC系統(tǒng)安裝在射頻場(chǎng)內(nèi)，信號(hào)傳輸線上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，造成輻射干擾，引起PLC接地回路出現(xiàn)電勢(shì)差，造成PLC工作異常和模擬量測(cè)量產(chǎn)生較大的誤差，當(dāng)接地回路的電勢(shì)差過大時(shí)會(huì)造成PLC的誤動(dòng)、死機(jī)，甚至損壞，如圖2所示。

1.3 接地混亂引起的干擾

正確合理的接地，不僅可以減小電磁干擾對(duì)PLC的的影響，又能抑制PLC向外發(fā)出干擾信號(hào)，PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地（SE）、屏蔽地（FE）和保護(hù)地（PE）等。若接地系統(tǒng)混亂，則各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，在不同接地點(diǎn)間產(chǎn)生電位差，出現(xiàn)環(huán)路電流，影響PLC系統(tǒng)的正常工作。

2 抗電磁干擾的有效途徑

抗電磁干擾的主要方法是：降低噪聲源等級(jí)，消除產(chǎn)生干擾的原因;阻斷電磁干擾傳播的路徑，或提高傳遞路徑抗電磁干擾的能力;選擇高抗干擾能力的PLC，降低其對(duì)噪聲的敏感度。

2.1 供電電源設(shè)計(jì)

配電采用三相五線制（TN-S），所有的控制電源經(jīng)過隔離變壓器后進(jìn)行二次分配。柜內(nèi)地線與中性線分開，采用16 mm2黃綠電纜接地，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

PLC系統(tǒng)供電的電源應(yīng)與大功率用電設(shè)備、變頻器等分別使用不同的變壓器供電，采用性能較好的隔離電源，當(dāng)電源條件惡劣時(shí)，可考慮采用在線式不間斷供電電源（UPS）供電。

2.2 輻射干擾的抑制

PLC內(nèi)部具有光電耦合器和可控硅等元器件，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外信號(hào)的隔離，使PLC免受外部電源波動(dòng)的影響。但實(shí)際上，因?yàn)殡娫床▌?dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)，造成的共模和差模信號(hào)無法消除，從而產(chǎn)生模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集的誤差，開關(guān)量控制上的錯(cuò)誤。為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

2.2.1 傳輸電纜的選擇

PLC系統(tǒng)的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)線的連接電纜，應(yīng)采用屏蔽電纜，屏蔽層應(yīng)單端接地。數(shù)字信號(hào)連接電纜的屏蔽層應(yīng)兩端接地。

大功率用電設(shè)備的動(dòng)力電纜，應(yīng)采用屏蔽電纜。PLC的信號(hào)線路可采用光電耦合器進(jìn)行隔離，PLC和上位機(jī)之間的通信線路盡可能使用光纖或使用光電耦合器隔離;通訊電纜應(yīng)優(yōu)先選用PLC生產(chǎn)廠家提供的專用電纜。PLC控制柜電纜布置如圖3所示。

2.2.2 信號(hào)種類的選擇

模擬信號(hào)應(yīng)采用4～20 mA的電流信號(hào);開關(guān)量采用24V較高的電壓等級(jí)。

2.2.3 環(huán)境和布線要求

PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，離動(dòng)力線至少應(yīng)200 mm。

不同類型線應(yīng)分層敷設(shè)，信號(hào)線和動(dòng)力線不能平行走線或布置在同一個(gè)線槽內(nèi);PLC的數(shù)字信號(hào)線與大功率動(dòng)力線走線時(shí)應(yīng)分開;開關(guān)量與模擬量線應(yīng)相互分開敷設(shè);在同一線槽內(nèi)敷設(shè)信號(hào)電纜時(shí)，應(yīng)按傳輸信號(hào)的類別分層敷設(shè)。如圖4所示。

2.2.4 PLC輸入輸出端的保護(hù)

當(dāng)PLC輸入輸出端連接的是感性負(fù)載時(shí)，應(yīng)防止感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的高壓損壞PLC的輸入輸出端。若為直流電路，應(yīng)在感性負(fù)載兩端并接1 A左右的續(xù)流二極管，若為交流電路，應(yīng)在感性負(fù)載兩端并聯(lián)阻容電路。

2.2.5 I/O箱與主控柜的連接

為了減少干擾，所有I/O控制箱與主控柜之間鋪設(shè)黃綠雙色線接地線，如圖5所示。

2.3 正確選擇接地方式

PLC控制系統(tǒng)屬于低壓控制裝置，應(yīng)采用單點(diǎn)直接接地方式。低壓電器單點(diǎn)接地方式有：串聯(lián)式單點(diǎn)接地、并聯(lián)式單點(diǎn)接地和多分支單點(diǎn)接地三種。對(duì)于集中布置的PLC系統(tǒng)應(yīng)采用并聯(lián)式單點(diǎn)接地方式。對(duì)于分散布置的PLC系統(tǒng)，應(yīng)采用串聯(lián)式單點(diǎn)接地方式。接地線應(yīng)選擇截面積大于2.5 mm2的黃/綠銅導(dǎo)線，母線銅排的截面積應(yīng)不小于6 mm2，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

3 工業(yè)以太網(wǎng)電磁干擾的抑制

PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較復(fù)雜，且車間的電磁環(huán)境較差，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從以下幾方面考慮工業(yè)以太網(wǎng)的抗干擾設(shè)計(jì)。

（1）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足信息節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸需要的基礎(chǔ)上，盡量?jī)?yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，減少網(wǎng)絡(luò)布線在工業(yè)環(huán)境中的長(zhǎng)度。

（2）采用具備冗余管理的工業(yè)級(jí)管理交換機(jī)，鋪設(shè)光纖冗余環(huán)網(wǎng)。若交換機(jī)不具備冗余管理，則應(yīng)避免環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

（3）若布線距離較長(zhǎng)或需經(jīng)過強(qiáng)干擾源時(shí)，應(yīng)選擇光纖敷設(shè)。

（4）采用工業(yè)屏蔽雙絞線是避免高低頻電磁干擾電磁干擾最有效手段，正確的接地是避免干擾的關(guān)鍵。屏蔽接地應(yīng)該只有唯一的接點(diǎn)，以保持接地點(diǎn)的地平衡。

（5）網(wǎng)絡(luò)電纜與動(dòng)力電纜需并行敷設(shè)時(shí)，應(yīng)保持足夠的平行距離;需要交叉敷設(shè)時(shí)，可采用正交方式并保持一定距離;網(wǎng)絡(luò)電纜在整個(gè)通訊長(zhǎng)度范圍內(nèi)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離感應(yīng)器、變壓器等較大干擾源。

（6）橋架設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)電纜橋架必須和動(dòng)力電纜橋架分別敷設(shè)，并保持一定的距離。在需要?jiǎng)恿﹄娎|、通訊電纜并行敷設(shè)時(shí)（比如2種電纜下穿接入同一個(gè)分布式控制箱時(shí)），必須采用大橋架套小橋架或橋架隔板等方式敷設(shè)。

4 結(jié)束語

徹底消除PLC控制系統(tǒng)的電磁干擾，從成本、設(shè)計(jì)和加工來說是不合理的。PLC抗干擾設(shè)計(jì)的目的是使其在存在電磁環(huán)境下工作時(shí)，各系統(tǒng)都能正常工作，達(dá)到兼容目的。因此要保證PLC控制系統(tǒng)不會(huì)由于電磁干擾的影響而出現(xiàn)誤動(dòng)作或不工作，就應(yīng)從電源、傳輸、負(fù)載等環(huán)節(jié)著手，采用綜合治理方法，減小電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 白同云.電磁兼容設(shè)計(jì)（第2版）[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011.

[2] 趙歧誠.論電磁兼容性設(shè)計(jì)理念[J].電子學(xué)報(bào)，2020，48（2）：238-242.

[3] 張位鑌.電磁兼容設(shè)計(jì)及其應(yīng)用探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017（24）：1172，2138.

[4] 潘遠(yuǎn)濟(jì).淺談電力通信電磁兼容問題[J].通信電源技術(shù)，2020（4）：48.

[5] 王永勝，李偉，郭文卿.強(qiáng)電磁環(huán)境下無人機(jī)的電磁防護(hù)技術(shù)[J].安全與電磁兼容，2020（5）：95-99.