PLC控制系統(tǒng)的干擾源分析與預(yù)防

由PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)大多處在強(qiáng)電設(shè)備和線(xiàn)路所形成的惡劣電磁環(huán)境中，干擾信號(hào)往往會(huì)給系統(tǒng)造成誤差，使得系統(tǒng)的性能指標(biāo)下降，甚至使系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)和故障，因此其抗干擾能力是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。為了使控制器穩(wěn)定的工作，提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，需要在產(chǎn)品選型、設(shè)備安裝、線(xiàn)路敷設(shè)特別是在工程設(shè)計(jì)中必須予以高度重視， 嚴(yán)格遵照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行，并采取必要的抗干擾措施。
1、干擾源分析
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)PLC控制系統(tǒng)的干擾主要有以下來(lái)源：
（1）空間的電磁輻射。來(lái)自強(qiáng)電線(xiàn)路、強(qiáng)電開(kāi)關(guān)設(shè)備、變壓、整流、換流、變頻設(shè)備、雷電等產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)，其輻射產(chǎn)生的影響主要在體現(xiàn)兩個(gè)方面：①輻射PLC內(nèi)部電路，由電
路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；②輻射控制系統(tǒng)信號(hào)線(xiàn)路及通信網(wǎng)絡(luò)，由線(xiàn)路感應(yīng)產(chǎn)生干擾。此類(lèi)干擾與線(xiàn)路敷設(shè)、設(shè)備位置、控制系統(tǒng)所處的場(chǎng)強(qiáng)特別是頻率密切相關(guān)。
（2）電源?？刂葡到y(tǒng)電源引自供配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，除了受到各種空間電磁干擾而在電源線(xiàn)路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓外， 影響zui大的是電網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備及其狀態(tài)變化，如大型設(shè)備起停、開(kāi)關(guān)操作浪涌、交直流傳動(dòng)裝置中SCR、GTO、IGBT等電力半導(dǎo)體器件引起的諧波等，都將通過(guò)輸電線(xiàn)路傳到PLC電源輸入端，對(duì)PLC產(chǎn)生干擾。
（3）信號(hào)線(xiàn)引入。由信號(hào)傳輸侵入的干擾信號(hào)主要有三類(lèi)：①通過(guò)變送器和信號(hào)儀表的配電電源引入；②受空間電磁輻射感應(yīng)。這類(lèi)干擾會(huì)引起輸入信號(hào)異常， 大大降低測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)將引起I/O器件損壞以及系統(tǒng)不能正常運(yùn)行；③由于現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈振動(dòng)或接線(xiàn)不牢靠使PLC輸入觸點(diǎn)發(fā)生抖動(dòng)從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸入信號(hào)。
（4）接地系統(tǒng)混亂。PLC控制系統(tǒng)的正確接地，可以削弱電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，如接地不當(dāng)，將會(huì)增強(qiáng)干擾信號(hào)的引入，導(dǎo)致控制系統(tǒng)無(wú)法正常工作。PLC控制系統(tǒng)的接地包括工作地、屏蔽地、信號(hào)地、防雷地、靜電地和保護(hù)地等，若工作地與其它接地處理不妥， 所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線(xiàn)上產(chǎn)生電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。
（5）PLC內(nèi)部。由系統(tǒng)內(nèi)電路及元件間的相互電磁輻射產(chǎn)生， 要選擇在工業(yè)應(yīng)用中具有較多成功實(shí)績(jī)的PLC來(lái)組建控制系統(tǒng)。
2、抗干擾措施
通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化配電系統(tǒng)，正確設(shè)置接地點(diǎn)、接地方式，并按規(guī)范要求配線(xiàn)、布線(xiàn)等，可有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
2.1電源抗干擾
對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)存在大容量設(shè)備（電動(dòng)機(jī)）、非線(xiàn)性動(dòng)力及供配電設(shè)備（電焊機(jī)、整流器、換流器、變頻器、固態(tài)軟啟動(dòng)器、電梯、變壓器、開(kāi)關(guān)柜）等，除控制系統(tǒng)中設(shè)備遠(yuǎn)離這些可能成為電磁干擾源的設(shè)備外，還需要采取以下措施：
2.1.1變壓器隔離及屏蔽
為改善電源對(duì)控制系統(tǒng)侵入的干擾， 需采用帶屏蔽層的隔離變壓器配電，并將屏蔽層良好接地，同時(shí)二次繞組引線(xiàn)使用屏蔽雙絞線(xiàn)。
2.1.2一次電源濾波
為進(jìn)一步加強(qiáng)PLC電源的抗干擾性能， 可采用一次電源濾波器+隔離變壓器配電。先把濾波器接入配電系統(tǒng)，再接變壓器隔離，即先濾波后隔離。
2.1.3交流穩(wěn)壓
大容量設(shè)備起停等將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)， 為保證控制系統(tǒng)電源電壓的穩(wěn)定，在電源濾波前，應(yīng)采用交流穩(wěn)壓。
2.1.4動(dòng)力系統(tǒng)分離配電
控制器、I/O通道和其他設(shè)備分別由各自的隔離變壓器配電，這樣當(dāng)I/O及其他設(shè)備故障不會(huì)影響控制器的電源，同時(shí)有助于抗電網(wǎng)干擾。
2.1.5變送器和儀表隔離配電
與PLC系統(tǒng)有電氣的變送器和儀表的配電應(yīng)選擇隔離強(qiáng)度高的配電器，以減少對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾。
2.2接地抗干擾
2.2.1控制系統(tǒng)與電源的接地處理
在PLC控制系統(tǒng)中，具有多種形式的“地”，對(duì)接地的處理有共地、浮地以及混合地三種方式。共地方式是將儀表及控制系統(tǒng)中的工作地（包括信號(hào)回路接地、屏蔽接地以及特殊要求的本質(zhì)安全電路接地）、保護(hù)地（即機(jī)柜、箱、儀表盤(pán)等設(shè)備外殼或柜內(nèi)設(shè)備外殼接地點(diǎn)）與電源接地點(diǎn)連在一起，整個(gè)系統(tǒng)以大地為電位參考點(diǎn)， 這是在實(shí)際應(yīng)用中采用較多的一種方式。如大地電位變化較大，信號(hào)電路將受到共模干擾，且易轉(zhuǎn)成差模干擾，此時(shí)適宜浮地方式。此方式是將控制系統(tǒng)中工作地與保護(hù)接地點(diǎn)連在一塊， 但與電源接地點(diǎn)絕緣。但這種接
地，機(jī)殼積累的靜電不能自行釋放，操作不安全，可采用保護(hù)共地（即保護(hù)地與電源接地點(diǎn)連在一處）和工作浮地的方式。
2.2.2控制系統(tǒng)接地
為防止接地導(dǎo)體成為輻射天線(xiàn)， 其長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)0.02λ（λ=v/f，λ 為電子設(shè)備的工作波長(zhǎng)，v=3×108km/s，為電磁波的傳播速度，f 為電子設(shè)備的工作頻率）。接地導(dǎo)體長(zhǎng)度小于0.02λ可采用單點(diǎn)接地，大于0.02λ 應(yīng)采用多點(diǎn)接地。PLC的工作頻率一般不高于100kHz，當(dāng)其接地導(dǎo)體長(zhǎng)度不超過(guò)60m（一般均不會(huì)超過(guò)），可采用單點(diǎn)接地，接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近控制器，接地線(xiàn)采用地線(xiàn)，選型須滿(mǎn)足有關(guān)規(guī)范要求并應(yīng)盡量粗，同時(shí)要避開(kāi)強(qiáng)電線(xiàn)路和防雷引下線(xiàn)。另外需要注意的是接地導(dǎo)體長(zhǎng)度需要避開(kāi)λ/4 及其奇數(shù)倍，因此時(shí)阻抗為無(wú)窮大，相當(dāng)于一根天線(xiàn)，可接收和輻射干擾信號(hào)。
屏蔽電纜的屏蔽層兩端應(yīng)在防雷區(qū)交界處做等電位連接，當(dāng)系統(tǒng)要求只在一端做等電位連接時(shí)，應(yīng)采用雙層屏蔽或單層屏蔽加穿鋼管敷設(shè)， 外層屏蔽或鋼管的兩端應(yīng)在防雷區(qū)交界處做等電位連接， 既可解決靜電感應(yīng)又能消除磁場(chǎng)強(qiáng)度變化所感應(yīng)的電壓。
屏蔽地、保護(hù)地、電源地、信號(hào)地均不能串接，要分別由各自獨(dú)立的接地支線(xiàn)接到接地匯流牌或接地端子板上。
當(dāng)多芯電纜的備用芯線(xiàn)短接后在一點(diǎn)接地， 屏蔽電纜的屏蔽層至少與其備用芯線(xiàn)要在同一側(cè)接地； 儀表電纜的屏蔽層至少在控制室儀表盤(pán)柜側(cè)接地。
2.3I/O信號(hào)抗干擾
2.3.1I/O模塊的選擇
從抗干擾角度選擇模塊：①優(yōu)先選擇絕緣型的I/O模塊；②無(wú)觸點(diǎn)輸出模塊比有觸點(diǎn)輸出模塊在控制側(cè)產(chǎn)生的的干擾小；③允許信號(hào)“通-斷”電平差值大、“關(guān)斷”電平高以及響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的輸入模塊，抗干擾性能優(yōu)。
2.3.2輸入信號(hào)抗干擾
當(dāng)PLC輸入電路為晶體管或是光電開(kāi)關(guān)輸出類(lèi)型時(shí)，由于在關(guān)斷時(shí)存在漏電流，當(dāng)漏電流超過(guò)一定值，就會(huì)形成錯(cuò)誤信號(hào)。在輸入端并聯(lián)合適的旁路電阻，可避免漏電流干擾引起的錯(cuò)誤輸入信號(hào)而產(chǎn)生誤動(dòng)。
2.3.3輸出信號(hào)抗干擾
當(dāng)PLC輸出器件采用雙向晶閘管或晶體管， 由于這類(lèi)輸出器件在關(guān)斷時(shí)存在微弱漏電流， 可能會(huì)引起小阻抗負(fù)載的誤動(dòng)， 導(dǎo)致輸出信號(hào)錯(cuò)誤。在這類(lèi)輸出端并聯(lián)合適的旁路電阻，可防止漏電流干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)。
2.3.4防感應(yīng)電壓
感應(yīng)電壓主要是通過(guò)輸入信號(hào)線(xiàn)之間以及與其他線(xiàn)路之間的電氣耦合產(chǎn)生，改進(jìn)措施主要有：①避免輸入信號(hào)線(xiàn)與動(dòng)力線(xiàn)平行走線(xiàn)；②采用直流輸入；③輸入端并聯(lián)瞬間過(guò)壓吸收電路。
2.4配線(xiàn)及布線(xiàn)抗干擾
為防止或降低配線(xiàn)及布線(xiàn)的干擾，可采取以下措施：①開(kāi)關(guān)量信號(hào)線(xiàn)與模擬量信號(hào)線(xiàn)應(yīng)分別配線(xiàn)， 且后者應(yīng)采用屏蔽線(xiàn)纜， 數(shù)據(jù)通信傳輸線(xiàn)也要用屏蔽線(xiàn)， 并優(yōu)先采用屏蔽雙絞線(xiàn)。②交流信號(hào)與直流信號(hào)不共用電纜。③長(zhǎng)距離配線(xiàn)時(shí)，輸入與輸出信號(hào)線(xiàn)不共用電纜。④控制系統(tǒng)的接地線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)與動(dòng)力線(xiàn)、防雷引下線(xiàn)避開(kāi)敷設(shè)，并保持適當(dāng)間距。⑤遠(yuǎn)程布線(xiàn)時(shí)優(yōu)先采用遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)。
以上抗干擾措施經(jīng)我院總包和設(shè)計(jì)的各類(lèi)PLC控制工程實(shí)際應(yīng)用表明，有效的解決了現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)干擾因素的影響。控制系統(tǒng)的干擾及抗干擾都錯(cuò)綜復(fù)雜， 需要在產(chǎn)品選型、設(shè)備安裝、線(xiàn)路敷設(shè)、接地處理特別是在工程設(shè)計(jì)中因地制宜、統(tǒng)籌考慮，從而保障控制系統(tǒng)長(zhǎng)期正常運(yùn)行。