PLC系統信號的干擾及抗干擾措施

　　摘要：簡要分析了PLC控制系統在實際應用中可能受到的干擾類型。從軟、硬件等方面提出了針對性的抗干擾措施，并強調了其在工業控制領域應用時必須全面、系統地考慮抗干擾機理和措施。
關鍵詞： PLC；控制系統；電磁兼容；抗干擾
　　可編程控制器PLC具有編程簡單、通用性好、功能強、易于擴展等優點。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。PLC中采用了高集成度的微電子器件，可靠性高，但由于使用時工業生產現場的工作環境惡劣，如大功率用電設備的起動或停止引起電網電壓的波動形成低頻干擾和電磁輻射等惡劣電磁環境，大大降低了PLC控制系統的可靠性。為了確?？刂葡到y穩定工作，提高可靠性，必須對系統采取一定的抗干擾方法和措施。
1 影響PLC控制系統穩定的干擾類型
1.1 空間的輻射干擾
　　空間的輻射電磁場（EMI）主要由電力網絡、電氣設備、雷電、高頻感應加熱設備、大型整流設備等產生，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。其影響主要通過兩條途徑：一是對PLC通訊網絡的輻射，由通訊線路的感應引入干擾；二是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾。若此時PLC置于其輻射場內，其信號、數據線和電源線即可充當天線接受輻射干擾。此種干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場的大小，特別是與頻率有關。
1.2 傳導干擾
（1）來自電源的干擾
　　在工業現場中，開關操作浪涌、大型電力設備的起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊等均能在電網中形成脈沖干擾。PLC的正常供電電源均由電網供電，因而會直接影響到PLC的正常工作。由于電網覆蓋范圍廣，它將受到所有空間的電磁干擾而產生持續的高頻諧波干擾。特別在斷開電網中的感性負載時產生的瞬時電壓峰值是額定值的幾十倍，其脈沖功率足以損壞PLC半導體器件，并且含有大量的諧波可以通過半導體線路中的分布電容、絕緣電阻等侵入邏輯電路，引起誤動作。
（2）來自信號傳輸線上的干擾
　　除了傳輸有效的信息外，PLC系統連接的各類信號傳輸線總會有外部干擾信號的侵入。此干擾主要有2種途徑：① 通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串人的電網干擾；② 信號線上的外部感應干擾，其中靜電放電、脈沖電場及切換電壓為主要干擾來源。由信號線引入的干擾會引起I／O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。若系統隔離性能較差，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統總線回流，造成邏輯數據變化、誤動作甚至死機。
1.3 地電位的分布干擾
　　PLC控制系統的地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等。地電位的分布干擾主要是各個接地點的電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，從而引起了地環路電流，該電流可能在地線上產生不等電位分布，影響PLC內邏輯電路和模擬電路的正常工作。由于PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數據存貯，造成數據混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降，引起對信號測
控的嚴重失真和誤動作。

1.4 PLC系統內部產生的干擾
　　產生這種干擾的主要原因是系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射。如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響；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。
2 提高抗干擾能力的硬件措施
　　硬件抗干擾技術是系統設計時應首選的措施，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。
2.1 供電電源
　　電源波動造成的電壓畸變或毛刺，將對PLC及I／O模塊產生不良影響。據統計分析，PLC系統的干擾中有70％是從電源耦合進來的。為了抑制干擾，保持電壓穩定，常采用以下幾種抗干擾方法：
　　（1）使用隔離變壓器衰減從電源進線的高頻干擾信號，輸入、輸出線應用雙絞線以抑制共模干擾。其屏蔽層接地方式不同，對干擾抑制的效果也不一樣，一般做法是將初、次級屏蔽層均接地。
　?。?）用低通濾波器抑制高次諧波。低通濾波器的內部電容上電感組合方式不同，其高次諧波的抑制效果也有一定區別。另外其電源輸入、輸出線應分隔開，屏蔽層應可靠接地。一般是在電源系統中既使用濾波器又使用隔離變壓器，但要注意先將濾波器接人電源再接隔離變壓器。

圖1 隔離變壓器供電系統

（3）用頻譜均衡法抑制電源中的瞬變干擾。這種方法不常用，其成本較貴。
2.2 接地
　　良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件之一，可以避免偶然發生的電壓沖擊危害。接地線與機器的接地端相聯，基本單元必須接地，如果選用擴展單元，其接地點與基本單元接地點接在一起。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應給PLC接以專用地線，接地線與動力設備（如電動機）的接地點應分開，若達不到此要求，則可與其它設備公共接地，嚴禁與其它設備串聯接地，具體接地方式如圖2。接地電阻要小于5Ω，接地線要粗，面積要大于2平方毫米，而且接地點最好靠近PLC裝置，其間的距離要小于50米，接地線應避開強電回路，若無法避開時，應垂直相交，縮短平行走線的長度。

圖2 PLC系統接地方式

2.3 輸入/輸出部分
2.3.1 輸入信號的抗干擾
　　輸入信號的輸入線之間的差模干擾可以利用輸入模塊濾波來減小干擾，而輸入線與大地間的共模干擾可通過控制器的接地來抑制。在輸入端有感性負載時，為了防止電路信號突變而產生感應電勢的影響，可采用硬件的可靠性容錯和容差設計技術，對于交流輸入信號，可在負載兩端并聯電容C和電阻R，對于直流輸入信號，可并接續流二極管D。一般負載容量在10VA以下時，應選C為0.1μF，R為120 ，當負載容量在10VA以上時，應選C為0.47μF，R為47 。具體電路如圖3所示.

圖3 輸入信號的抗干擾設計

2.3.2 輸出電路的抗干擾
　　對于PLC系統為開關量輸出，可有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出三種形式。具體選擇要根據負載要求來決定。若負載超過了PLC的輸出能力，應外接繼電器或接觸器，才可正常工作。
　　PLC輸出端子若接有感性負載，輸出信號由OFF變為ON或從ON變為OFF時都會有某些電量的突變而可能產生干擾，故應采取相應的保護措施，以保護PLC的輸出觸點，對于直流負載，通常是在線圈兩端并聯續流二極管D，二極管應盡可能靠近負載，二極管可為1A的管子。對于交流負載，應在線圈兩端并聯RC吸收電路，根據負載容量，電容可取0.1-0.47 μF，電阻可取47-120 ，且RC盡可能靠近負載。如圖4所示。

圖4 PLC 輸出觸點的保護

2.4 外部配線的抗干擾設計
　　外部配線之間存在著互感和分布電容，進行信號傳送時會產生竄擾。為了防止或減少外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出信號應分別使用各自的電纜。集成電路或晶體管設備的輸入、輸出信號線要使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側要懸空，而要在控制器側要接地。配線時在30米以下的短距離，直流和交流輸入、輸出信號線最好不要使用同一電纜，如果要走同一配線管時，輸入信號要使用屏蔽電纜。如圖5所示。30-300米距離的配線時，直流和交流輸出、輸入信號線要分別使用各自電纜，并且輸入信號線一定要用屏蔽線。對于300米以上長距離配線時，則可用中間繼電器轉換信號，或使用遠程I/O通道。對于控制器的接地線要與電源線或動力線分開，輸入、輸出信號線要與高電壓、大電流的動力線分開配線。

圖 5 屏蔽電纜處理法

3 軟件抗干擾設計
　　盡管硬件抗干擾可濾除大部分干擾信號，但因干擾信號產生的原因很復雜。且具有很大的隨機性，很難保證系統完全不受干擾。因此往往在硬件抗干擾措施的基礎上．采取軟件抗干擾技術加以補充，作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾方法沒計簡單、修改靈活、耗費資源少，在PLC測控系統中同樣獲得了廣泛的應用。對于PLC測控裝置，其數據輸入、輸出、存儲等系統屬于弱電系統，如果工作環境中存在干擾，就有可能使數據受干擾而破壞，從而造成數據誤差、控制狀態失靈、程序狀態和某些器件的工作狀態被改變，嚴重時會使系統程序破壞。因此，數據抗干擾同樣十分重要。
3.1 指令重復執行
　　指令重復執行就是根據需要使作用相同的指令重復執行多次，一般適用于開關量或數字量輸入，輸出的抗干擾。在采集某些開關量或數字量時，可重復采集多次，直到連續兩次或兩次以上的采集結果完全相同時才視為有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，發出報警信號。在滿足實時性要求的前提 ，如果在各次采集數守信號之間插入一段延時，數據的可靠性會更高。如果在系統實時性要求不是很高的情況下，其指令重復周期盡可能長些。
3.2 數字濾波
　　在某些信號的采集過程中，由于存在隨機干擾而可能使被測信號的隨機誤差加大。針對這種情況，可以采用數字濾波技術。該方法具有可靠性高和穩定性好的特點，廣泛應用于工業計算機測控系統中。此外，數字濾波的常用方法還有：程序判斷濾波法、中值濾波法、算術平均濾波法、遞推平均濾波法等。
4 結語
　　隨著PLC應用范圍的逐漸擴大，加之系統惡劣的工作環境，它所要克服的干擾就會越來越多，因此研究PLC系統的抗干擾問題就變得越來越重要。只有對工作環境作全面的分析，確定干擾性質，并采取相應的抗干擾措施，才能保證系統長期穩定地工作。