PLC 控制系统的抗干扰措施及提高系统可靠性

摘 要：本文首先介绍了影响PLC 控制系统稳定的主要干扰源，提出了PLC 控制系统的抗干扰方法措施，增强系统工作的可靠性，以保证整个控制系统的正常运行。

关键词：PLC；抗干扰；电气设备；可靠性

前言：

随着科学技术的发展，PLC 在工业控制领域的应用越来越广泛。尽管PLC 在设计、制造中采取了一系列措施，如屏蔽、隔离、滤波、接地等，很好地完善了主机本身的抗干扰性能，就PLC 本身而言，已具有工作可靠性高、抗干扰能力强的特点。

控制系统的可靠性一直是机电行业和自动化生产线所关注的焦点，因为它直接影响企业的生产安全和经济效益，而系统的抗干扰能力则是保证系统可靠运行的重要指标之一。影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射，磁场改变产生电流，电磁高速变化产生电磁波。

1 影响PLC 控制系统稳定的主要干扰源分析

1.1 空间的辐射干扰

空间的辐射电磁场(EMI)主要由电力网络、电气设备、雷电、无线电收发设备、高频感应电气设备、大型整流设备等产生，通常称为辐射干扰。由于电气、电子设备的高密度广泛使用，使空间电磁波污染越来越严重，它们所产生的空间辐射波频率范围广，而且没有规律。这种空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路，造成对置于其辐射场内的PLC控制系统的干扰。这种干扰与现场设备的布置以及设备所产生的电磁场的大小，尤其是与它的频率高低有关，使PLC 工作异常。

1.2 电源的干扰

PLC 系统的正常供电电源一般由工业用电网络提供，由于电网覆盖范围广，它所受到的电磁干扰也大，如：电网内部的变化，工业控制系统中的大型机械电力设备的启动、停机，开关操作浪涌，还有交直流传动装置引起的谐波等，都通过输电电路感应电压变化传送到电源原边，引起电源电压的波动、瞬停、波形畸变等，这些均会通过电源内阻耦合到PLC 系统的电路，都将给系统造成极大的危害。

1.3 信号传输线上的干扰

除了传输有效的信息，与PLC 控制系统连接的各类信号传输线，也还会受到外部干扰信号的侵入。这种干扰主要有：通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源窜入的电网干扰，以及电源线、I/O 线与接地线间产生的电位差，对PLC内部电路与各线路间的寄生电容进行充放电干扰，还有信号线受空间电磁辐射感应的外部干扰等。由信号线引入的这类干扰会引起I/O 信号工作异常和影响系统的测量精度，严重时还将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间的相互干扰，引起共地系统总线回流，造成数据信息突变、误动作或死机，由此引发系统无法正常工作。

1.4 变频器的干扰

随着电力电子技术的不断发展，变频器作为一种电力电子设备，已经广泛应用于各个领域。变频器启动及运行时所产生的大功率高次谐波，对电网产生传导干扰，影响电网的供电质量，它的输出也会产生较强的电磁辐射干扰，对电气设备、PLC 系统等产生影响，使之不能正常运行。

1.5 接地系统混乱时的干扰

接地是提高电气电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地，既能使系统有效地抑制电磁干扰的影响，又能降低系统对外界的干扰。在实际应用中，由于系统电源零线、地线不分，控制系统屏蔽地的混乱连接，都可引入严重的干扰信号，它对PLC 控制系统的影响主要是各个接地点电位的分布不均，不同接地点间存在电位差，引起地环路电流，使PLC系统无法正常工作，大大降低了系统的可靠性和稳定性。

另外还有一些干扰，如PLC 系统内部的干扰，数字电路引起的干扰，模拟地与数字地的相互影响，以及元器件之间的相互不匹配使用等等，均能使PLC 控制系统不能正常工作。

2 PLC 控制系统的抗干扰措施

2.1 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰

电源往往是干扰进入PLC 的主要途径，因而电源质量的好坏直接影响到PLC控制系统的可靠性。电网干扰对PLC 控制系统的影响主要通过PLC 系统的供电电源(CPU 内部电源、I/0 外部电源)、变送器供电电源以及和PLC 系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。为了保证PLC 的正常工作，一般采用开关式稳压电源或原边带低通滤波器的稳压电源。在干扰较强或对可靠性要求较高的场合，应该用带屏蔽层的隔离变压器，还可以在隔离变压器二次侧串联LC 滤波电路，抑制从电源线窜人的外来干扰，同时，在安装时还应注意屏蔽层应可靠接地。对于变送器和共用信号仪表供电电源要选择分布电容小、抑制带大的配电器，以降低对PLC 系统的干扰。另外为保证电网供电不中断，采用在线式不间断供电电源(UPS)作为PLC 控制系统的理想电源，以提高供电的安全可靠性。

2.2 系统传输信号线的抗干扰设计

系统传输信号线之间存在着互感和分布电容，进行信号传送时会产生窜扰。为了减少这种干扰，禁止用同一电缆的不同导线同时传送电力电源和I/O 信号；动力电缆线、设备的输入/输出信号线都要使用屏蔽电缆，采用屏蔽电力电缆，可大大降低动力线产生的电磁干扰，使PLC 系统工作取得比较满意的效果；同时屏蔽电缆的屏蔽层应一端接地。不同类型信号分别由不同电缆传输，动力线、I/O 线以及控制线应分开走线，相互之间并保持一定距离，尽量不要在同一线槽中布线，信号电缆应按传输信号种类分层铺设，交流线与直流线、输入线与输出线、开关量与模拟量的I/O 线等也最好分开走线，避免各类信号线靠近平行铺设，以减少电磁干扰。

2.3 输入、输出信号的抗干扰处理

当输入信号源为感性，PLC 输出接有感性负载时，为防止电路状态变化时产生很高的感应电动势或浪涌电流，对于直流电路，应在线圈两端并联续流二极管；对于交流电路，应在线圈两端并联浪涌吸收电路以避免与电感产生并联谐振。

2.4 降低变频器干扰的方法

为了降低变频器谐波及电磁辐射对系统的影响，可以在变频器的输入输出中采用交流／直流电抗器，多相脉冲整流器和滤波器等措施降低进线中的THDV，同时在用电设备系统中可以使用隔离变压器或使用滤波模块或组件。

2.5 软件抗干扰设计

硬件和软件是PLC 控制系统的两个重要方面，硬件是基础，软件是关键，为了提高系统的可靠性，设计时应在满足系统基础要求上尽可能把硬件功能用软件来实现。软件抗干扰措施常用的方法有：

(1)采用计数器或定时器编程消除抖动：对于开关量输入，由于外界干扰会出现时断时通的“抖动”现象，要消除这种现象，PLC 可采用计数器或定时器，经过适当编程来实现，定时时间或计数次数可根据实际调试时的干扰情况而定。

(2)数字滤波：在一些数据信息的采集过程中，随机干扰无时无处不在，就可能使得被测量信息的随机误差增大。针对这种情形，通常可以采用数字滤波技术，数字滤波的常用方法有：算术平均滤波法、中值滤波法、程序判断滤波法等。该方法具有可靠性高和稳定性好的特点，广泛应用于自动控制的测控系统中。

(3)PLC 故障诊断程序：有些干扰是可以预知的，例如PLC输出命令驱动一些大型设备操作时，常常伴随着产生电弧等一些干扰，故障诊断程序可对其超时检测，以及编制一些常见故障的异常逻辑关系，一旦异常的逻辑关系成立，就按故障进行处理，及时采取排除故障的措施。

2.6 正确选择接地点，完善接地系统

良好的接地是保证PLC 控制系统安全可靠运行的重要条件。PLC 一般最好单独接地，采用专用接地极，绝对不允许与其他设备共用接地装置，而应分别使用各自的接地系统；PLC 的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近PLC；若PLC由多单元组成，各单元应采用同一接地点，但禁止使用串联接地方式，以防止各单元之间产生电位差；PLC 的输入、输出信号线所用屏蔽电缆的屏蔽层也要采用同一点接地；组成完善的接地系统。

3 结束语

PLC 控制系统中的干扰是一个非常复杂的问题，它的抗干扰设计是整个控制系统设计的重要环节之一。针对PLC 的工作环境和被控负载性质的特殊性，在其应用中应充分考虑到各种干扰因素，采取相应的抗干扰措施，阻断干扰侵入的途径，抑制干扰源，提高系统自身的抗干扰能力，以保证系统长期稳定的工作。

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