PLC控制系统的干扰源分析与预防

由PLC构成的控制系统大多处在强电设备和线路所形成的恶劣电磁环境中，干扰信号往往会给系统造成误差，使得系统的性能指标下降，甚至使系统发生误动和故障，因此其抗干扰能力是系统稳定运行的关键。为了使控制器稳定的工作，提高控制系统运行的可靠性，需要在产品选型、设备安装、线路敷设特别是在工程设计中必须予以高度重视， 严格遵照有关标准规定执行，并采取必要的抗干扰措施。
1、干扰源分析
工业现场对PLC控制系统的干扰主要有以下来源：
（1）空间的电磁辐射。来自强电线路、强电开关设备、变压、整流、换流、变频设备、雷电等产生的空间电磁场，其辐射产生的影响主要在体现两个方面：①辐射PLC内部电路，由电
路感应产生干扰；②辐射控制系统信号线路及通信网络，由线路感应产生干扰。此类干扰与线路敷设、设备位置、控制系统所处的场强特别是频率密切相关。
（2）电源。控制系统电源引自供配电系统网络，除了受到各种空间电磁干扰而在电源线路上产生感应电压外， 影响最大的是电网内部设备及其状态变化，如大型设备起停、开关操作浪涌、交直流传动装置中SCR、GTO、IGBT等电力半导体器件引起的谐波等，都将通过输电线路传到PLC电源输入端，对PLC产生干扰。
（3）信号线引入。由信号传输侵入的干扰信号主要有三类：①通过变送器和信号仪表的配电电源引入；②受空间电磁辐射感应。这类干扰会引起输入信号异常， 大大降低测量精度，严重时将引起I/O器件损坏以及系统不能正常运行；③由于现场强烈振动或接线不牢靠使PLC输入触点发生抖动从而产生错误的输入信号。
（4）接地系统混乱。PLC控制系统的正确接地，可以削弱电磁干扰对系统的影响，如接地不当，将会增强干扰信号的引入，导致控制系统无法正常工作。PLC控制系统的接地包括工作地、屏蔽地、信号地、防雷地、静电地和保护地等，若工作地与其它接地处理不妥， 所产生的地环流就可能在地线上产生电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。
（5）PLC内部。由系统内电路及元件间的相互电磁辐射产生， 要选择在工业应用中具有较多成功实绩的PLC来组建控制系统。
2、抗干扰措施
通过设计优化配电系统，正确设置接地点、接地方式，并按规范要求配线、布线等，可有效提高系统的抗干扰能力。
2.1电源抗干扰
对于现场存在大容量设备（电动机）、非线性动力及供配电设备（电焊机、整流器、换流器、变频器、固态软启动器、电梯、变压器、开关柜）等，除控制系统中设备远离这些可能成为电磁干扰源的设备外，还需要采取以下措施：
2.1.1变压器隔离及屏蔽
为改善电源对控制系统侵入的干扰， 需采用带屏蔽层的隔离变压器配电，并将屏蔽层良好接地，同时二次绕组引线使用屏蔽双绞线。
2.1.2一次电源滤波
为进一步加强PLC电源的抗干扰性能， 可采用一次电源滤波器+隔离变压器配电。先把滤波器接入配电系统，再接变压器隔离，即先滤波后隔离。
2.1.3交流稳压
大容量设备起停等将导致电网电压波动， 为保证控制系统电源电压的稳定，在电源滤波前，应采用交流稳压。
2.1.4动力系统分离配电
控制器、I/O通道和其他设备分别由各自的隔离变压器配电，这样当I/O及其他设备故障不会影响控制器的电源，同时有助于抗电网干扰。
2.1.5变送器和仪表隔离配电
与PLC系统有电气联系的变送器和仪表的配电应选择隔离强度高的配电器，以减少对PLC系统的干扰。
2.2接地抗干扰
2.2.1控制系统与电源的接地处理
在PLC控制系统中，具有多种形式的“地”，对接地的处理有共地、浮地以及混合地三种方式。共地方式是将仪表及控制系统中的工作地（包括信号回路接地、屏蔽接地以及特殊要求的本质安全电路接地）、保护地（即机柜、箱、仪表盘等设备外壳或柜内设备外壳接地点）与电源接地点连在一起，整个系统以大地为电位参考点， 这是在实际应用中采用较多的一种方式。如大地电位变化较大，信号电路将受到共模干扰，且易转成差模干扰，此时适宜浮地方式。此方式是将控制系统中工作地与保护接地点连在一块， 但与电源接地点绝缘。但这种接
地，机壳积累的静电不能自行释放，操作不安全，可采用保护共地（即保护地与电源接地点连在一处）和工作浮地的方式。
2.2.2控制系统接地
为防止接地导体成为辐射天线， 其长度不应超过0.02λ（λ=v/f，λ 为电子设备的工作波长，v=3×108km/s，为电磁波的传播速度，f 为电子设备的工作频率）。接地导体长度小于0.02λ可采用单点接地，大于0.02λ 应采用多点接地。PLC的工作频率一般不高于100kHz，当其接地导体长度不超过60m（一般均不会超过），可采用单点接地，接地点应尽量靠近控制器，接地线采用专用地线，选型须满足有关规范要求并应尽量粗，同时要避开强电线路和防雷引下线。另外需要注意的是接地导体长度需要避开λ/4 及其奇数倍，因此时阻抗为无穷大，相当于一根天线，可接收和辐射干扰信号。
屏蔽电缆的屏蔽层两端应在防雷区交界处做等电位连接，当系统要求只在一端做等电位连接时，应采用双层屏蔽或单层屏蔽加穿钢管敷设， 外层屏蔽或钢管的两端应在防雷区交界处做等电位连接， 既可解决静电感应又能消除磁场强度变化所感应的电压。
屏蔽地、保护地、电源地、信号地均不能串接，要分别由各自独立的接地支线接到接地汇流牌或接地端子板上。
当多芯电缆的备用芯线短接后在一点接地， 屏蔽电缆的屏蔽层至少与其备用芯线要在同一侧接地； 仪表电缆的屏蔽层至少在控制室仪表盘柜侧接地。
2.3I/O信号抗干扰
2.3.1I/O模块的选择
从抗干扰角度选择模块：①优先选择绝缘型的I/O模块；②无触点输出模块比有触点输出模块在控制侧产生的的干扰小；③允许信号“通-断”电平差值大、“关断”电平高以及响应时间长的输入模块，抗干扰性能优。
2.3.2输入信号抗干扰
当PLC输入电路为晶体管或是光电开关输出类型时，由于在关断时存在漏电流，当漏电流超过一定值，就会形成错误信号。在输入端并联合适的旁路电阻，可避免漏电流干扰引起的错误输入信号而产生误动。
2.3.3输出信号抗干扰
当PLC输出器件采用双向晶闸管或晶体管， 由于这类输出器件在关断时存在微弱漏电流， 可能会引起小阻抗负载的误动， 导致输出信号错误。在这类输出端并联合适的旁路电阻，可防止漏电流干扰产生的误动。
2.3.4防感应电压
感应电压主要是通过输入信号线之间以及与其他线路之间的电气耦合产生，改进措施主要有：①避免输入信号线与动力线平行走线；②采用直流输入；③输入端并联瞬间过压吸收电路。
2.4配线及布线抗干扰
为防止或降低配线及布线的干扰，可采取以下措施：①开关量信号线与模拟量信号线应分别配线， 且后者应采用屏蔽线缆， 数据通信传输线也要用屏蔽线， 并优先采用屏蔽双绞线。②交流信号与直流信号不共用电缆。③长距离配线时，输入与输出信号线不共用电缆。④控制系统的接地线、信号线与动力线、防雷引下线避开敷设，并保持适当间距。⑤远程布线时优先采用远程I/O控制系统。
以上抗干扰措施经我院总包和设计的各类PLC控制工程实际应用表明，有效的解决了现场各类干扰因素的影响。控制系统的干扰及抗干扰都错综复杂， 需要在产品选型、设备安装、线路敷设、接地处理特别是在工程设计中因地制宜、统筹考虑，从而保障控制系统长期正常运行。