獨家原創:論PLC控制系統抗干擾技術

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摘要：隨著工業設備自動化控制技術的發展，可編程控制器(plc)在工業設備控制中的應用越來越廣泛。PLC控制系統的可靠性直接影響到企業的安全生產和經濟運行，系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。本文詳細介紹擻跋PLC運行的干擾類型及來源，并提出抗干擾設計的實施策略。

關鍵詞:PIC；抗干擾；輸入輸出；電路設計

引言

PLC由于具有功能強、程序設計簡介，維護方便等優點，特別是高可靠性、較強的適應惡劣工業環境的能力，已被廣泛應用于自來水行業。但由于現場環境條件惡劣、濕度高、以及各種工業電磁、輻射干擾等，會影響系統的正常工作,因此必須重視工程的抗干擾設計。一、影響PLC控制系統可靠性的主要因素

PLC控制系統的可靠性通常用平均故障間隔時間（MeanTimeBetweenFailure，簡稱WIBF）來衡量。它表示系統從發生故障進行修理到下一次發生故障的時間間隔的平均值。PLC裝置本身是非?？煽康?，而PLC控制系統的干擾主要是外部環節和硬件配置不當引起的。一是電源側的工頻干擾，它由電源進入PLC裝置，造成系統工作不正常;二是線路傳輸中的靜電或磁場耦合干擾，以及周圍高頻電源的輻射干擾，靜電耦合是通過信號線與電源線之間的寄生電容，磁場耦合發生在長布線中線間的寄生互感上，高頻輻射是通過高頻交變磁場與信號間的寄生電容;三是PLC控制系統的接地系統不當引起的干擾。因此，在實際設計中往往從以下幾個方面考慮：（1）對程序和數據的保護;（2）對工業生產環境的適應性;（3）故障安全原則，系統間獨立性原則與冗余及容錯結構;（4）運行時的實時性和連續性。

二、干擾的主要來源

（一）來自空間的輻射干擾

空間輻射電磁場(EMI)主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的,通常稱為輻射干擾,其分布極為復雜。若PLC系統置于其射頻場內,就會受到輻射干擾,其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內部的輻射,由電路感應產生干擾;二是對PLC通信網絡的輻射,由通信線路感應引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小特別是頻率有關,一般通過設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護

（二）來自系統外引線的干擾

主要通過電源和信號線引入,通常稱為傳導干擾。這種干擾在我國工業現場較為嚴重,主要有下面三類：

第一類是來自電源的干擾。實踐證明,因電源引入的干擾造成PLC控制系統故障的情況很多,筆者在某工程調試中遇到過,后更換隔離性能更高的PLC電源問題才得到解決。

第二類是來自信號線引入的干擾。與PLC控制系統連接的各類信號傳輸線,除了傳輸有效的各類信息之外,總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾,這往往被忽視;二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾,即信號線上的外部感應干擾,這種往往非常嚴重。

第三類是來自接地系統混亂的干擾。接地是提高電子設備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一,正確的接地既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制設備向外發出干擾;而錯誤的接地反而會引入嚴重的干擾信號,使PLC系統無法正常工作。PLC控制系統的地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等,接地系統混亂對PLC系統的干擾主要是各個接地點電位分布不均,不同接地點間存在地電位差,引起地環路電流,影響系統正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地,如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地,就存在地電位差,有電流流過屏蔽層。當發生異常狀態如雷擊時,地線電流將更大。

（三）來自PLC系統內部的干擾

主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生,如邏輯電路相互輻射、模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于PLC制造廠家對系統內部進行電磁兼容設計的內容,比較復雜,作為應用部門無法改變,可不必過多考慮,但要選擇具有較多應用實績或經過考驗的系統。

三、干擾的主要措施

（一）電源系統引入的干擾

電網的干擾，頻率的波動，將直接影響到PLC系統的可靠性與穩定性。如何抑制電源系統的干擾是提高PLC的抗干擾性能的主要環節

1、加裝濾波、隔離、屏蔽、開關穩壓電源系統。

設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從電源線傳導到系統中，使用隔離變壓器，必須注意:屏蔽層要良好接地;次級連接線要使用雙繞線(減少電線間的干擾)，隔離變壓器的初級繞組和次級繞組應分別加屏蔽層，初級的屏蔽層接交流電網的零線;次級的屏蔽層和初級間屏蔽層接直流端。

為了抑制電網大容量設備起停(如送水泵等)引起電網電壓的波動，保持供電電壓的穩壓，可采用開頭穩壓電源。

2、分離供電系統

PLC的控制器與I/O系統分別由各自的隔離變壓器供電，并與主電源分開，這樣當輸入輸出供電斷電時，不會影響到控制器的供電。如下圖所示。

（二）抑制接地系統引入的干擾

PLC系統分為邏輯電路接地和功率電路接地，有共地、浮地及機殼共地和電路浮地等三種方式。一般采用控制器與其它設備分別接地方式最好，接地時注意:接地線盡量粗，一般大于2mm2的線接地;接地點應盡量靠近控制器，接地點與控制器之間的距離不大于50m;接地線應盡量避開強電回路和主回路的電線，不能避開時，應垂直相交，應盡量縮短平行走線的長度。

實踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。

（三）抑制輸入輸出電路引入的干擾

為了實現輸入輸出電路上的完全隔離，近年來在控制系統中光電耦合得到廣泛應用，已成為防止干擾的最有效措施之一。光電耦合器具有以下特點:首先，由于是密封在一個管殼內，不會受到外界光的干擾;其次，由于靠光傳送信號，切斷了各部件電路之間地線的聯系;第三，發光二極管動態電阻非常小，而干擾源的內阻一般很大，能夠傳送到光電耦合器輸入輸出的干擾信號就變得很小;第四，光電耦合器的傳輸比和晶體管的放大倍數相比，一般很小，遠不如晶體管對干擾信號那么靈敏，而光電耦合器的發光二極管只有在通過一定的電流時才能發光。因此，即使是在干擾電壓幅值較高的情況下，由于沒有足夠的能量，仍不能使發光二極管發光，從而可以有效地抑制掉干擾信號。由于光電耦合器的線性區一般只能在某一特定的范圍內，因此，應保證被傳信號的變化范圍始終在線性區內。為了保證線性耦合，既要嚴格挑選光電耦合器，又要采取相應的非線性較正措施，否則將產生較大的誤差。

1、光電耦合輸入電路下圖所示

其中圖(a)、圖(b)用的較多，高電平時接成形式，低電平輸入時接成形式。圖(c)為差動型接法，它具有兩個約束條件，對于防止干擾有明顯的優越性，適用于外部干擾嚴重的環境，當外部設備電流較大時，其傳輸距離可達100~200m，圖(d)考慮到COMS電路的輸出驅動電流較小，不能直接帶動發光二極管，所以加接一級晶體管作為功率放大，需要注意的是圖中發光二極管和光敏三極管應分別由兩個電源供電，電阻值視電壓高低選取。

光電耦合輸入電路

2、光電耦合輸出電路下圖所示。為了得到和輸入同相的信號，可以采用圖(a)形式。若要求輸出和輸入反相，可以接成圖(b)形式。當輸出電路所驅動的元件較多時，可以加接一級晶體管作為驅動功率放大，其接法如圖(c)所示。有時為了獲得更好的輸出波形，輸出信號可經施密特電路整形。

光電耦合輸出電路

(四)輸入信號的抗干擾

輸入設備的輸入信號的線間干擾(差模干擾)用輸入模塊的濾波器可以使其衰減，然而，輸入信號線與地問的共模十擾在控制器內部回路產生的電位差仍會引起控制器誤動作。因此，為了抗共模F擾，控制器要良好接地。當輸入信號源為感性元件，輸出負載的負載特性為感性元件時，為了防止反沖感應電勢或浪涌電流損壞模塊，對于交流輸入信號在負載倆端并聯電容C和電阻R，對于直流輸入信號并聯續流二極管VD，如下圖所示。在圖(a)中R、C參數一般選擇為120Ω+0．1μF(當負荷容量<10V•A時)或47Ω+0.471μF(當負荷容量>10V•A時)。在圖(b)中，二極管的額定電流選為1A，額定電壓要大于電源電壓的3倍。對于感應電壓的干擾，采用輸入電壓直流化或輸入端并接浪涌吸收器的方法抑制。

(五)輸出信號的抗干擾設計

交流感性負載場合下，在負載兩端并接浪涌吸收器；直流負載場合下，在負載兩端并接續流二極管VD，以抑制輸出信號的干擾，如圖所示。在下圖(a)中，RC越靠近負載，抗干擾效果越好。當PLC的輸出驅動的負載為電磁閥這類元件時，可在輸出端和電磁閥之間加固態繼電器(SSR)進行隔離。另外，從抗干擾的角度出發，適當選擇I／0模塊也是很重要的。在干擾多的場合，可選用絕緣型的I／O模塊和裝有浪涌吸收器的模塊，可以有效地抑制輸入輸出信號地干擾。

（6）輸入輸出信號漏電流處理

當輸入信號源為晶體管，或是光電開關輸出類型時，當輸出元件為雙向，或是晶體管輸出而外部負載又很小時會因為這類輸出元件在關斷時有較大地漏電流，使輸入電路和外部負載電路不能關斷，導致輸入與輸出信號地錯誤。為此，在這類輸入、輸出端要并聯旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負載上的電流，如下圖所示。

圖中旁路電阻可按以下方式計算：

R式中：Um為輸入信號源或外部負載電壓的最大值；

l1為輸入信號源或輸出晶閘管最大漏電流；

ln為輸入點或外部負載的額定電流。

(七)輸入輸出信號的防錯

當輸入信號源為晶體管，或是光電開關輸出類型時，在關斷時仍有較大的漏電流。而PLC的輸入繼電器靈敏度較高，如漏電流干擾超過一定值，就形成了誤信號。同樣，當輸出元件為VTH（雙向晶閘管）或是晶體管輸出，而外部負載又很小時，會因為這類輸出元件在關斷時有較大的漏電流，引起微小電流負載的誤動，導致輸入與輸出信號的錯誤，給設備和人身造成不良后果。解決辦法是在這類輸入、輸出端并聯旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負載上的電流，電路接線下圖所示。圖中，旁路電阻按下式求出：

Um

R<

Il﹣0.5IN

式中，Il——輸入信號源或輸出晶閘管最大漏電流；

Um——輸入信號電壓或外部負載電壓最大值

IN——輸入點或外部負載的額定電流。

還有一種方法是在PLC輸入端加RC濾波環節，利用RC的延遲作用來抑制竄入脈沖所引起的干擾。在晶閘管輸出的負載兩端并聯RC浪涌電流抑制器，減小漏電流的干擾。

四、結論

PLC控制系統的干擾是一個十分復雜的問題,隨著PLC在電廠的應用越來越廣泛，它所要克服的干擾越來越多，越來越復雜。因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制干擾,對有些干擾情況還需做具體分析,采取對癥下藥的方法,才能夠使PLC控制系統正常工作,保證工業設備安全高效運行。

參考文獻

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