電氣控制與PLC控制系統(tǒng)抗干擾問題研究

周純

摘 要：電氣自動(dòng)化設(shè)備所使用的PLC控制系統(tǒng)，在運(yùn)行中總是伴隨著高電流和高電壓輻射的惡劣環(huán)境，高速變化的電流和電壓產(chǎn)生的磁場(chǎng)，影響著整個(gè)控制系統(tǒng)。因此，干擾問題是影響設(shè)備正常運(yùn)行的主要問題，要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)人員只有預(yù)先了解各種干擾并有效控制才能保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。本文對(duì)電氣自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)的干擾源及抗干擾措施展開了探討和研究。

關(guān)鍵詞：電氣控制；自動(dòng)化設(shè)備；抗干擾；PLC控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TL362 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，電氣自動(dòng)化對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到舉足輕重的作用，自動(dòng)化設(shè)備也因此在各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，自動(dòng)化設(shè)備中的PLC控制系統(tǒng)往往會(huì)受到各種因素的干擾而不能正常工作，在一定程度上降低了設(shè)備效率，也限制了設(shè)備創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。為了提升PLC電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證設(shè)備高效率的運(yùn)行，有必要對(duì)各種干擾源進(jìn)行分析，并實(shí)施明確的抗干擾方法，這對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展有一定的積極作用。

1 PLC控制系統(tǒng)干擾概述

PLC控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，各種模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)及一些輔助電路中的繼電器、電源、電機(jī)、變頻器和控制器等狀態(tài)的快速劇烈斷變化產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)引發(fā)的電荷無序隨機(jī)的移動(dòng)便產(chǎn)生噪聲源，即干擾源。這些電磁干擾源種類繁多，常見的有浪涌噪聲、高頻輻射、偶發(fā)干擾、共模干擾和差模干擾等。任何一種干擾都將對(duì)PLC控制系統(tǒng)造成或大或小的不可預(yù)估的影響，小則燒壞IO點(diǎn)，大則引起設(shè)備撞車，損壞自動(dòng)化設(shè)備或?qū)е氯松戆踩鹿?，造成?jīng)濟(jì)利益受損。因此PLC控制系統(tǒng)抗干擾問題必須加強(qiáng)關(guān)注。

2 PLC控制系統(tǒng)中的干擾源

2.1 空間的電磁、輻射干擾

事實(shí)上在整個(gè)空間中，到處都存在著或強(qiáng)或弱的輻射，這些輻射主要是由電網(wǎng)電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備、廣播、無線網(wǎng)絡(luò)、加熱設(shè)備、變壓器、信號(hào)塔等產(chǎn)生的。若PLC控制系統(tǒng)距離這些干擾源很近，電磁輻射會(huì)直接對(duì)PLC控制系統(tǒng)的電路產(chǎn)生感應(yīng)，影響IO點(diǎn)的正常工作，或?qū)LC內(nèi)部通信產(chǎn)生干擾，造成錯(cuò)誤的通信數(shù)據(jù)。

2.2 電源的干擾

電源是整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電源的穩(wěn)定性基本決定了控制系統(tǒng)的可靠性。實(shí)際應(yīng)用中因電源干擾造成PLC控制系統(tǒng)不正常工作的概率較高。究其原因，PLC控制系統(tǒng)的供電電源一般直接從電網(wǎng)引入，而電網(wǎng)幾乎連接著所有的大大小小的耗電設(shè)備，電網(wǎng)中的大型設(shè)備的啟停浪涌噪聲、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的諧波、變壓器的不穩(wěn)定、短路沖擊等，對(duì)控制系統(tǒng)的電源都將造成影響。

2.3 信號(hào)線引入的干擾

PLC控制系統(tǒng)一般包括多種執(zhí)行器、如電磁閥、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、力矩馬達(dá)、信號(hào)燈及一些輸入裝置，如力聲光電熱各類傳感器，開關(guān)按鈕，通信面板等，而所有這些設(shè)備與PLC控制系統(tǒng)有著密切的信號(hào)交換，在傳輸正確有效信號(hào)的同時(shí)，因信號(hào)線的長度、質(zhì)量和絕緣性能等因素，信號(hào)線總會(huì)受到一些雜波信號(hào)的干擾，特別是對(duì)高電平信號(hào)影響較大，這些干擾信號(hào)會(huì)引起PLC IO點(diǎn)工作不穩(wěn)定，通信異常等，影響整個(gè)控制系統(tǒng)。

2.4 不正確接地的干擾

為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，接地是可行且必要的方法之一。而在實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)用中，通常存在接地不正確或接地混亂的情況，這對(duì)PLC控制系統(tǒng)也會(huì)造成嚴(yán)重的干擾。不正確的接地系統(tǒng)會(huì)造成各個(gè)接地位置存在電勢(shì)差，這種電勢(shì)差與PLC系統(tǒng)會(huì)形成閉環(huán)電流，影響著系統(tǒng)中的輸入信號(hào)采集，執(zhí)行器動(dòng)作及正常通信。一般PLC工作的信號(hào)電壓范圍較窄，接地異常容易影響PLC控制系統(tǒng)的程序運(yùn)行異常，數(shù)字信號(hào)交換異常，模擬信號(hào)精度下降等。

2.5 PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

一般系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要由PLC內(nèi)部控制板的布局設(shè)計(jì)，元器件質(zhì)量的劣等、老化、相互的電磁干擾，數(shù)字地與模擬地的互相影響，擴(kuò)展模塊的不當(dāng)選型和使用等造成的。這種干擾的存在，要求工程技術(shù)人員必須按操作手冊(cè)嚴(yán)格選型與使用，若干擾仍然存在，應(yīng)更換相關(guān)模組。

3 PLC控制系統(tǒng)中抗干擾的方法

為了提升PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在實(shí)際運(yùn)用中必須高度關(guān)注以上分析的干擾源，并實(shí)施有效措施加以合理控制，延長系統(tǒng)硬件壽命，并保證自動(dòng)化設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 選用合適的電源

在PLC控制系統(tǒng)中，電源是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電源來源一般是市電220V交流電，電網(wǎng)的擾動(dòng)、變化經(jīng)常發(fā)生，這些變化直接造成電壓毛刺和畸變，然后通過PLC供電電源、執(zhí)行裝置驅(qū)動(dòng)器電源、變頻器電源以及與PLC系統(tǒng)連接的各類傳感器電源進(jìn)入整個(gè)控制系統(tǒng)。對(duì)于PLC供電電源，一般都采用隔離性能較好的電源，使用隔離器抑制進(jìn)線處的高頻信號(hào)，傳輸線纜用雙絞線以削弱共模干擾。其次，應(yīng)該采用低通濾波器削弱或消除由大功率變頻器，驅(qū)動(dòng)器串入的高頻諧波。電源線路的鋪設(shè)也應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離信號(hào)與通信線路，或用金屬板隔擋電源。有些型號(hào)的PLC主機(jī)是采用24V直流供電，因此在選擇開關(guān)電源時(shí)，要選擇合適的功率且輸出穩(wěn)定可靠的電源，避免因功率不足而造成無法驅(qū)動(dòng)IO，或?qū)е缕渌盘?hào)的異常。

3.2 選擇可靠的信號(hào)傳輸電纜

在自動(dòng)化設(shè)備PLC控制系統(tǒng)使用過程中，線纜長度，質(zhì)量及絕緣性能決定了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。為了減少電纜輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜，提升信號(hào)傳輸質(zhì)量是一個(gè)可行且有效的措施，其次，信號(hào)和通信電纜要選用帶屏蔽層的電纜。對(duì)供電線、信號(hào)線及通信線應(yīng)該選用不同的線纜，采用供電線與信號(hào)線傳輸線分開鋪設(shè)的方式，同時(shí)，信號(hào)線與通信線在走線槽里應(yīng)分層鋪設(shè)。避免一根電纜同時(shí)接入供電線和信號(hào)線，信號(hào)線與供電線應(yīng)避免平行鋪設(shè)，以減少信號(hào)干擾。對(duì)于傳輸高頻信號(hào)，應(yīng)該選用同軸電纜。對(duì)于在信號(hào)傳輸過程中出現(xiàn)的毛刺現(xiàn)象，需要通過安裝電容濾波來進(jìn)一步調(diào)理信號(hào)的傳輸，提升系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.3 正確接地，消除干擾

接地的目的其一是為了電氣及人身安全，其二是為了抑制系統(tǒng)干擾。PLC控制系統(tǒng)中，大量設(shè)備裝置之間信號(hào)的互連要求各設(shè)備裝置都要有一個(gè)基準(zhǔn)“地”作為信號(hào)的參考地。正確完善的接地是提高PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力的重要措施之一。接地在消除干擾上起著重要作用。在PLC控制系統(tǒng)中，大部分使用220V交流市電及24V直流供電，與之連接的有眾多執(zhí)行裝置、控制器等，甚至與機(jī)器設(shè)備也有避免不了的物理接觸。

因此交流地和直流地，必須分開接，其中數(shù)字信號(hào)地和模擬信號(hào)地也應(yīng)分開接，通常采用懸浮的共地點(diǎn)。接地方式有3種分別是：懸浮接地、直接接地和電容接地。PLC控制系統(tǒng)大都是高速掃描低電壓控制，應(yīng)采用直接接地方式。設(shè)備裝置之間的信號(hào)交換速度有高有低，受到各種線纜鋪設(shè)造成的分布電容和輸入信號(hào)的波動(dòng)影響，PLC控制系統(tǒng)接地線應(yīng)采用一點(diǎn)接地或串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。若是自動(dòng)化設(shè)備體型巨大，分段或分層安裝部署，那么必須在每一段或每一層引出接地線串連到一點(diǎn)接到地極。對(duì)于信號(hào)線和通信線，必須選用帶屏蔽層的單芯或多芯絞線，屏蔽層一端接地，可有效預(yù)防信號(hào)干擾。

3.4 選擇合適的濾波器

濾波器對(duì)快速瞬變干擾具有明顯的抑制作用，濾波器常見種類有數(shù)字濾波器、低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器、模擬濾波器及介質(zhì)濾波器等，選擇合適的濾波器能夠有效地預(yù)防和杜絕PLC控制系統(tǒng)中的干擾問題。PLC控制系統(tǒng)的抗干擾性能與濾波器的選擇、安裝質(zhì)量密切相關(guān)。如果不采用合適的方法進(jìn)行安裝，就算是選用了性能良好的濾波器，同樣達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，為了保證PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力，工程人員在選擇和使用濾波器時(shí)，應(yīng)該注意以下事項(xiàng)：

（1）使用板上濾波器時(shí)，布線時(shí)要在接線端預(yù)留一塊“干凈地”，濾波器和連接器置于此塊區(qū)域。

（2）濾波器與面板之間的導(dǎo)線盡量短，減小近場(chǎng)干擾。

（3）如果設(shè)備，機(jī)柜是金屬外殼，安裝濾波器的“干凈地”要與這些金屬外殼搭接。如果沒有金屬外殼，可以在電控板下方放置較大的金屬板來建立濾波地，這樣可有效減少射頻阻抗。

因此正確選擇、安裝、使用濾波器是提高整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的電磁兼容性的有效可靠的方法。

3.5 選用性能優(yōu)良的PLC主機(jī)及擴(kuò)展模塊

PLC在硬件設(shè)計(jì)上，數(shù)字量輸入輸出采用光耦合器件，PLC內(nèi)部電路與外部電路之間的電氣隔離，有效地阻擋了外部電路干擾的串入。同時(shí)，PLC的電源線路與I/O回路加入了多重濾波電路的設(shè)計(jì)，因此PLC本身具有較高的可靠性和強(qiáng)抗干擾能力。但由于品牌、型號(hào)眾多，性能表現(xiàn)參差不齊，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合和項(xiàng)目需求下，應(yīng)根據(jù)品牌型號(hào)、安裝方式、功能要求、擴(kuò)展方式、響應(yīng)速度、抗干擾能力及成本等多方面綜合考慮來選擇PLC主機(jī)及擴(kuò)展模塊。

結(jié)語

綜上所述，電氣自動(dòng)化行業(yè)對(duì)于我國現(xiàn)階段的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要作用。工業(yè)生產(chǎn)效率的提升離不開電氣自動(dòng)化設(shè)備的大量應(yīng)用。然而，在自動(dòng)化電氣控制實(shí)際運(yùn)用中，PLC控制系統(tǒng)的性能因?yàn)榇嬖谥T多干擾因素運(yùn)行效率及穩(wěn)定性往往受到抑制。因此工程技術(shù)人員必須了解各種干擾源，并掌握消除干擾源的方法與措施，在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)合理有效控制，確保PLC控制系統(tǒng)能高效穩(wěn)定運(yùn)行，盡可能地最大化利用自動(dòng)化設(shè)備的性能。本文通過對(duì)PLC控制系統(tǒng)存在的干擾問題進(jìn)行了解析，對(duì)于電氣控制及自動(dòng)化的發(fā)展有著積極作用。

參考文獻(xiàn)

[1]向道恩.電氣工程中自動(dòng)化設(shè)備的抗干擾措施解析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（19）：25.

[2]底飛，王嬌.電氣工程中自動(dòng)化設(shè)備的抗干擾措施分析[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2015，5（23）：56-57.

[3]劉躍峰，陳旭生.電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性分析[J].中華民居（下旬刊），2012（10）：96-97.

[4]姜翠麗，于文蛟.DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用的抗干擾問題探討[J].內(nèi)蒙古石油化工，2018，44（3）：73-74.