PLC控制系統(tǒng)的干擾源分析與抗干擾措施

［關(guān)鍵詞］PLC控制；抗干擾；安全運行

［中圖分類號］TP273 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0012–03

某中型三等排澇泵站，設(shè)計排放規(guī)模約為30.71m³/s，裝機功率2250kW，型號為1600ZDBX-100，單機流量為6.15m³/s，共裝機5臺，滿足泵站運行需求。為提升泵站運行效率，需要對電站設(shè)備進行更換，對原有電氣設(shè)備進行拆除，并更換新的電氣設(shè)備，在安全運行前，需對設(shè)備進行調(diào)試，而在此期間繼續(xù)使用舊系統(tǒng)控制主泵排澇。因此在更換前，還需使用原設(shè)備進行排水，防止發(fā)生嚴重水澇。將更換的設(shè)備系統(tǒng)搬遷至泵房，在遷移安裝后，其中2號泵組單機運行正常，當增開其他泵組運行時，2號泵組運行三四分鐘后，2號泵組自動停止運行。經(jīng)檢測，故障點為PLC輸入控制電纜未按要求采用屏蔽電纜。查找到根源后，更換為屏蔽電纜采取屏蔽措施，隨后全部泵組正常運行?；诖?，文章對PLC干擾源進行分析，提出與之相關(guān)的抗干擾措施，以有效提升PLC系統(tǒng)的正常運行效率，排除干擾因素影響，提升泵站排澇生產(chǎn)效益，并避免再次出現(xiàn)類似事件。

1 PLC控制系統(tǒng)干擾源分布

1.1干擾源類型

通常，PLC控制系統(tǒng)處于復雜惡劣的環(huán)境中，會嚴重影響系統(tǒng)的正常運行和正常程序操作次序，甚至威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。對于整個系統(tǒng)而言，高電壓、大電流通斷時會產(chǎn)生強電干擾，此干擾電源可能會在PLC輸入信號線上感應出較強的感應電壓和感應電流，由此產(chǎn)生的感應電壓、電流會導致PLC系統(tǒng)正常運行，帶來失控、誤動、拒動，形成干擾，程序紊亂。主要干擾可根據(jù)干擾成因分為放電干擾、高頻震動干擾、浪涌干擾，根據(jù)噪聲波形分為脈通信干擾、持續(xù)性干擾，根據(jù)干擾模式分為共模與差模干擾[1]。

1.2空間輻射干擾

空間輻射干擾大多來自于電力系統(tǒng)以及電氣設(shè)備的暫態(tài)過程。在雷雨天氣，雷電產(chǎn)生的電壓具有一定的輻射特性?？臻g輻射通常呈現(xiàn)出分布不規(guī)律的現(xiàn)象。如果PLC系統(tǒng)處于空間輻射區(qū)域內(nèi)，就會給系統(tǒng)帶來干擾，輻射感應主要來自于電路感應、通信線路感應。

1.3系統(tǒng)外引線干擾

系統(tǒng)外引線干擾主要是傳導干擾，源自電源干擾、信號線干擾，這種類型干擾破壞性較強，可歸納為3大類：①工作電源干擾；②輸入輸出信號線相互干擾；③接地系統(tǒng)不規(guī)范、不合格干擾。

1.4PLC電源干擾

工程施工調(diào)試中，因工作電源引入的干擾而造成的PLC控制系統(tǒng)故障情況非常多，而更換隔離性能更高的PLC工作電源，可解決該干擾問題。

2 泵站PLC控制系統(tǒng)抗干擾措施

排澇泵站PLC控制系統(tǒng)應用環(huán)境復雜，現(xiàn)場引起干擾的原因較多，要解決干擾問題，須先找出引起干擾的原因，再針對相應的問題進行解決。

2.1控制線、信號線干擾及采取的措施

PLC控制系統(tǒng)指令由控制線和信號線完成，主要負責檢測和控制信號。高電壓、大電流通斷時會產(chǎn)生強電干擾，使在沒有屏蔽控制電纜線路上感應出較強的感應電流與和感應電壓，產(chǎn)生的感應電流與感應電壓會導致PLC控制系統(tǒng)正常運行時出現(xiàn)失控、誤動、拒動現(xiàn)象。信號線容易受到空間電磁輻射干擾，影響信號的傳遞質(zhì)量，屬于外部干擾因素。PLC控制系統(tǒng)會因信號干擾造成輸入輸出點接收或輸出異常信號，模塊損壞程度嚴重，進而導致系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障[2]。出現(xiàn)這種情況，可采取以下措施。

2.1.1滿足控制線、信號線要求

控制開關(guān)的電纜，不需要達到特殊要求，當距離短且電纜走向無其他強電流線纜時，選用普通電纜即可。如果需要長距離傳輸信號，或者與其他電纜共同布設(shè)時，應考慮外部因素影響，選擇具有屏蔽功能的電纜。

通信電纜應選擇與PLC系統(tǒng)配套的專用電纜，如果對信號要求不高的情況下，也可選擇帶有屏蔽效果的雙絞線電纜，但要求質(zhì)量達標[3]。

2.1.2柜內(nèi)走線要求

PLC的輸入線與輸出線應分開線槽布線，輸入輸出開關(guān)量信號線與模擬量信號電纜也應分開布設(shè)，模擬量信號電纜的傳輸必須采用由銅、鋁等非磁性材料制成屏蔽層的屏蔽電纜線，且屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻不應大于屏蔽層電阻的10%。

輸入信號線一般不能太長，但如果使用環(huán)境的干擾源比較少，且電壓降不大時，可適當加長輸入接線。

輸出端接線分為單獨輸出和公共端輸出。在不同電纜中，可采用不同電壓等級與類型的輸出電壓。但在同一電纜中的輸出只能用同一電壓等級以及同一類型的電源。

在同一盤柜應將PLC的輸入輸出線與大功率線分開線槽布設(shè)走向，如果條件限制，只能置于同一個線槽，也應進行區(qū)分，分別捆扎。并且交流線、直流線、控制線、動力線需盡可能分開，拉大兩者間的距離，避免互相干擾[4]。

2.2加大電源區(qū)域的攔截

PLC控制系統(tǒng)的正常工作電源一般由電力系統(tǒng)供電。電力系統(tǒng)作為一個供配電聯(lián)網(wǎng)的大系統(tǒng)，其覆蓋范圍廣，因此將受到所有空間電磁干擾從而在電力線路上感應電壓。尤其是電力系統(tǒng)內(nèi)部的變化，開斷斷路器操作浪涌、大型用電設(shè)施設(shè)備啟停、交流直流傳動設(shè)備裝置引起的諧波、電力系統(tǒng)短路暫態(tài)沖擊等，均通過輸電力系統(tǒng)供配電線路傳送至PLC控制系統(tǒng)的工作電源一次側(cè)。PLC控制系統(tǒng)的工作電源一般采用隔離變電源，但其結(jié)構(gòu)及制造工藝因素以及分布參數(shù)特別是分布電容的存在，使其無法絕對隔離，因此隔離效果并不理想，但也大幅降低了干擾并攔截了線路雷電磁感應產(chǎn)生的過電壓，從而在電源源頭進行攔截，降低破壞能力。

2.2.1電源部分的攔截

電源干擾隔離結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于交流電源，可使用雙重隔離技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上增加一個1∶1隔離變壓器，初級與電力供電系統(tǒng)電源連接，次級與PLC電源供給測控系統(tǒng)連接。增加1∶1隔離變壓器，可起到隔離外部供電電壓直接導入PLC的作用，但并不能抵御所有干擾。為進一步優(yōu)化隔離效果，可在初級和次級系統(tǒng)上分別連接一個氧化鋅壓敏電阻RM，避免雷電波干擾。

2.2.2半浮空技術(shù)

對于普通PLC控制系統(tǒng)，可采用半浮空技術(shù)抵御空間輻射，維持系統(tǒng)自身運行。按照正確的方法安裝屏蔽電纜，利用半浮空技術(shù)保護PLC控制系統(tǒng)。半浮空技術(shù)即機殼接地保護。使PLC控制系統(tǒng)中的印刷電路板處于懸空狀態(tài)，同時與地接觸，屬最佳接力模式[5]。主控制系統(tǒng)中的印刷電路板可選擇一個電容C連接在系統(tǒng)地和保護地之間，電容C應符合一定要求，性能高，質(zhì)量好。然后再設(shè)置一個電阻R，并要求電阻值符合系統(tǒng)防護要求。具體半浮空技術(shù)連接方式如圖2所示。

通過圖2可以看到，電氣設(shè)備中比較典型的是TVS二極管和壓敏電阻并聯(lián)在電路中，通過對異常浪涌、靜電和電壓的泄放從而起到保護電路的作用，可瞬間承擔較大的脈沖電流，一般可承載幾百安培電流。此外，TVS比壓敏電壓反應更快，能有效限制電壓，鉗位時間短。實際上TVS類型的電壓類型使用范圍更廣泛，電壓值可根據(jù)需要從3～700V進行選擇[6]。

2.3完善接地系統(tǒng)抗干擾措施

對于PLC控制系統(tǒng)，應采用直接接地方式即屏蔽線屏蔽層的接地。屏蔽電纜的屏蔽層主要由銅、鋁等非磁性材料制成，且厚度很薄，遠小于使用頻率上金屬材料的集膚深度。屏蔽層的效果主要不是由于金屬體本身對電場、磁場的反射、吸收而產(chǎn)生的，而是由于屏蔽層的接地產(chǎn)生的，接地的形式不同將直接影響屏蔽效果。根據(jù)DL/T5190《電力建設(shè)施工及驗收技術(shù)規(guī)范》要求，結(jié)合實際布線情況，電纜屏蔽層接地有以下方式。

（1）電纜直接由分布式控制系統(tǒng)機柜到現(xiàn)場設(shè)備布線，電纜屏蔽層在分布式控制系統(tǒng)機柜側(cè)將電纜屏蔽層接地，設(shè)備現(xiàn)場側(cè)浮空。

（2）電纜從分布式控制系統(tǒng)機柜經(jīng)過中轉(zhuǎn)柜，如：PLC輸入輸出繼電器柜、控制執(zhí)行單元電磁閥配電柜、純空接轉(zhuǎn)接柜等再到現(xiàn)場設(shè)備布線，則每條電纜的屏蔽層在靠近分布式控制系統(tǒng)機柜的一端進行接地，另一端浮空。即每條電纜從分布式控制系統(tǒng)機柜的一端開始首端接地，末端懸空。

（3）盤柜間電纜在信號流入側(cè)（模擬量AI以及輸入信號DI）進行屏蔽層接地，但若信號電纜直接由分布式控制系統(tǒng)機柜到電氣柜的輸出D0量時，則在分布式控制系統(tǒng)機柜和電氣柜側(cè)同時將屏蔽層兩段接地。

（4）取源信號電纜從電氣柜直接到設(shè)備現(xiàn)場，或經(jīng)過中轉(zhuǎn)柜，如PLC輸入輸出繼電器柜、控制執(zhí)行單元電磁閥配電柜、純空接轉(zhuǎn)接柜等再到現(xiàn)場設(shè)備布線，則每條電纜的屏蔽層在兩端進行接地。

（5）信號源與頻率關(guān)系，當頻率低于1MHz時，應采用單點接地；當頻率高于10MHz時，應采用多點接地；當在1～10MHz時，采用哪種接地視實際情況而定。當采用單點接地方式時，將全部地線的接線端子與最近的接地端子可靠相連接，以獲得最可靠的抗干擾能力。接地導線截面積必須大于或等于2.5mm²，接地電阻應小于1Ω，接地導線使用黃綠專用接地線。需要注意的是，如果發(fā)現(xiàn)信號線有破損，接頭或本身出現(xiàn)斷裂，則需進一步加固，并進行絕緣處理，避免出現(xiàn)多點接地的現(xiàn)象。

2.4 科學敷設(shè)電纜

在選擇信號電纜型號過程中，應根據(jù)實際需求進行選擇，同時從成本、實際功用以及抗干擾能力權(quán)衡利弊進行選擇。目前在市面上使用最廣泛的是標準型線纜，在實際敷設(shè)過程中，應把握以下重點內(nèi)容。

（1）選擇與數(shù)據(jù)信息傳輸相匹配的電纜，滿足傳遞、運輸?shù)男枨?，按照傳輸信號類型一層一層進行敷設(shè)。

（2）不同類型信號應選擇不同電纜。例如，對于模擬信號數(shù)字信號采取的電纜均應符合自身傳輸特點，同時應避免共享同一條電源線。

（3）選擇信號線時，應選擇整條結(jié)構(gòu)完整的線纜。避免選擇斷裂和接頭有問題的電纜。同時，應保證感性負載之間的距離，放置距離保持在60cm以上。相鄰電纜應設(shè)置隔板，并將信號線放于鍍鋅金屬管內(nèi)，以降低信號干擾。

2.5 PLC輸出端抗干擾措施

PLC控制器主要元件有繼電器、晶體管、晶閘管，根據(jù)電壓、荷載能力的不同選擇。如果控制系統(tǒng)負載超過PLC容量，為保持系統(tǒng)正常運行，應外接繼電器和接觸器，達到增容效果。對于帶有電感參數(shù)的PLC控制系統(tǒng)輸出端，在輸出信號開關(guān)暫態(tài)瞬間，電容會發(fā)出干擾信號，應采取必要的保護措施，避免PLC控制系統(tǒng)輸出觸點損壞。直流負載PLC控制器，可采用并聯(lián)續(xù)流二極管，置于線圈兩端，將二極管靠近負載，即可起到阻斷作用，避免外界干擾；交流負載可在線圈兩端并聯(lián)電阻電容器組（RC），吸收干擾。

3結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，對PLC控制系統(tǒng)研究的不斷深入，促進了其在工業(yè)中的廣泛應用。但由于PLC控制系統(tǒng)容易受到外界干擾，嚴重影響運行效率，應不斷提升PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力，增強運行穩(wěn)定性和有效性。同時明確干擾來源以及干擾類型，針對不同干擾源采取不同的抗干擾措施，為PLC控制系統(tǒng)安全運行提供有力的支撐，充分發(fā)揮PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。文章對泵站PLC控制系統(tǒng)干擾問題進行了分析、處理，最終解決了干擾問題，保障了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，可為相關(guān)問題處理提供參考。