淺析PLC系統(tǒng)的抗干擾問題

劉泰山

（中國華電工程（集團）有限公司，北京 100048）

1 概述

要提高PLC的可靠性，一方面要求PLC制造商提高設(shè)備的抗干擾能力，另一方面要求工程設(shè)計、安裝施工和使用維護中引起高度重視多方配合有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。

2 電磁干擾源及其對系統(tǒng)的影響

2.1 干擾源及干擾的一般分類

影響PLC系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源。按噪聲產(chǎn)生的原因分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質(zhì)分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按噪聲干擾模式分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓。

2.2 PLC系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源

2.2.1 來自系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，這都屬于PLC制造商對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容比較復(fù)雜，作為使用部門可不必過多考慮，但要選擇有較多工程使用業(yè)績且成熟系統(tǒng)。

2.2.2 來自系統(tǒng)外引線的干擾

主要通過信號和電源線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。

（1）來自信號線的干擾。與PLC連接的各類信號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(wǎng)干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾。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。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動作和死機。PLC因信號線引入的干擾造成I/O模塊損壞數(shù)相當嚴重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。

（2）來自電源線的干擾。PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電流。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，大型電力設(shè)備起停、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊、交直流傳動裝置引起的諧波等都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但由于其機構(gòu)及制造工藝等因素使其隔離性并不理想，再加上分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。

（3）來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾。接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。良好的接地既能抑制電磁干擾的影響又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；反之會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)無法正常工作。PLC系統(tǒng)的接地包括交流接地、屏蔽接地、系統(tǒng)接地和保護接地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)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(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果兩端接地則存在地電位差有電流流過屏蔽層，當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時，地線電流將更大。

此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)會出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。

2.2.3 來自空間的輻射干擾

空間的輻射電磁場（EMI）主要是由電氣設(shè)備、電力網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)過程、無線電廣播、雷電、雷達、電視和高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾。其影響主要通過兩條路徑:一是直接對PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

3 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

為保證PLC在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾，須在設(shè)計階段采取三個方面抑制措施:一是抑制干擾源；二是切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑；三是提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。PLC系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程，不僅要求制造商設(shè)計生產(chǎn)出具有較強抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使用部門在工程設(shè)計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，并結(jié)合具體情況進行綜合設(shè)計，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運行可靠性。具體工程的抗干擾設(shè)計主要分為以下兩個方面。

3.1 綜合抗干擾設(shè)計

主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種有效抑制措施。主要包括:對PLC系統(tǒng)及外部引線進行屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對外部引線進行隔離、濾波，特別是動力電纜，分層布置，以防通過外部引線引入傳導(dǎo)電磁干擾；正確設(shè)計接地點和接地裝置，完善接地系統(tǒng)。另外還必須利用軟件手段，進一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。

3.2 設(shè)備選型

在選擇設(shè)備時，首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，包括電磁兼容性（EMC）、外部抗干擾能力等，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC系統(tǒng)；其次了解制造商提供的抗干擾指標，如共模擬制比、差模擬制比、耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環(huán)境中工作；另外考查其在類似工作中的應(yīng)用實績。

4 主要抗干擾措施

4.1 正確選擇接地點完善接地系統(tǒng)

接地的目的一是為了安全，二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC抗電磁干擾的重要措施之一。PLC屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯(lián)一點接地方式。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應(yīng)采用串聯(lián)一點接地方式。

4.2 電纜選擇的敖設(shè)

為了減少動力電纜輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜須采用鎧裝屏蔽電力電纜，以降低電磁干擾。不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應(yīng)按傳輸信號種類分層敖設(shè)，嚴禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時傳送動力電源和信號，避免信號線與動力電纜靠近平行敖設(shè)，以減少電磁干擾。

4.3 硬件濾波及軟件抗如果措施

信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。由于電磁干擾的復(fù)雜性在PLC的軟件設(shè)計和組態(tài)時進行抗干擾處理，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。如數(shù)字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾；定時校正參考點電位，并采用動態(tài)零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù)，設(shè)計相應(yīng)的軟件標志位；采用間接跳轉(zhuǎn)，設(shè)置軟件陷阱等提高軟件結(jié)構(gòu)可靠性。

4.4 采用性能優(yōu)良的電源抑制電網(wǎng)引入的干擾

電網(wǎng)干擾串入PLC系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的?，F(xiàn)在PLC供電電源一般都采用隔離性能較好電源，而對于變送器供電的電源和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源雖然采取了一定的隔離措施，但普遍還不夠，主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大，抑制干擾能力差，經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。因此，對于變送器和共用信號儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大的配電器，以減少PLC系統(tǒng)的干擾。此外，應(yīng)保證電網(wǎng)饋點不中斷，可采用在線式不間斷供電電源（UPS）供電，提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強的干擾隔離性能，是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源。

5 結(jié)束語

PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復(fù)雜的問題，在抗干擾設(shè)計中應(yīng)綜合考慮各方面的因素合理有效地抑制抗干擾，對有些干擾情況還需具體問題具體分析，才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作。

[1]鄧則名.電器與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[J]，2002年出版.

[2]汪道輝.邏輯與可編程控制系統(tǒng)[J]，1998.

[3]建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（GB 50057-94）（2000版）.

[4]電子計算機場地通用規(guī)范（GB/T2887-2000）.