ＰＬＣ系統抗干擾控制技術設計

　　隨著自動化控制技術的發展，可編程控制器（PLC）的應用越來越廣泛。PLC系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。本文介紹了PLC運行的干擾類型及來源，并提出抗干擾設計的實施策略。
　　
　　電磁干擾的類型及來源
　　
　　影響PLC控制系統的干擾源大都產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干擾源，常分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(同方向)電壓疊加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電時，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓，影響測控信號，造成元器件損壞（這就是一些系統I/O模件損壞率較高的主要原因），這種共模干擾可為直流，亦可為交流。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及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的，這種干擾疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。
　　電磁干擾的主要來源于下列三種情況：①來自空間的輻射干擾。主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的空間輻射電磁場（EMI），其分布極為復雜。②來自系統外引線的干擾。主要是通過電源和信號線引入的傳導干擾，主要有來自電源的干擾、來自信號線引入的干擾和來自接地系統混亂的干擾。③來自PLC系統內部的干擾。主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射、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。
　　
　　抗干擾設計
　　
　　為了保證系統在電磁環境中免受或減少內外電磁干擾，必須從設計階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統的抗干擾能力。這三點就是抑制電磁干擾的基本原則。
　　PLC控制系統的抗干擾是一個系統工程，要求制造單位設計生產出具有較強抗干擾能力的產品，且有賴于使用部門在工程設計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，并結合具體情況進行綜合設計，才能保證系統的電磁兼容性和運行可靠性。進行具體工程的抗干擾設計時，應主要注意以下兩個方面。
　　1.設備選型。在選擇設備時，首先，要選擇有較高抗干擾能力的產品，其包括了電磁兼容性，尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術、隔離性能好的PLC系統；其次，還應了解生產廠家給出的抗干擾指標，如共模抑制比、差模抑制比、耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環境中工作等；另外，還要考查其在類似工作中的應用實績。
　　在選擇國外進口產品時要注意，我國是采用220V高內阻電網制式，而歐美地區是110V低內阻電網。由于我國電網內阻大，零點電位漂移大，地電位變化大，現場的電磁干擾至少要比歐美地區高4倍以上，對系統抗干擾性能要求更高。在國外能正常工作的PLC產品在國內工業不一定能可靠運行，這就需要在采用國外產品時，按我國的標準(GB/T13926)合理選擇。
　　2.綜合抗干擾設計。主要考慮來自系統外部的幾種抑制措施，內容包括：對PLC系統及外引線進行屏蔽，以防空間輻射電磁干擾；對外引線進行隔離、濾波，特別是動力電纜應分層布置，以防通過外引線引入傳導電磁干擾；正確設計接地點和接地裝置，完善接地系統。另外，還必須利用軟件手段，進一步提高系統的安全可靠性。
　　
　　抗干擾措施
　　
　　1.采用性能優良的電源，抑制電網引入的干擾。 在PLC控制系統中，電源占有極重要的地位。電網干擾串入PLC控制系統主要通過PLC系統的供電電源（如CPU電源、I/O電源等）、變送器供電電源和與PLC系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入。現在對于PLC系統供電的電源，一般都采用隔離性能較好的電源，而對于變送器供電電源以及和PLC系統有直接電氣連接的儀表供電電源，并沒受到足夠的重視，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大，抑制干擾能力差，經電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以，對于變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術）的配電器，以減少PLC系統的干擾。 此外，為保證電網饋電不中斷，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。而且UPS還具有較強的干擾隔離性能，是一種PLC控制系統的理想電源。
　　2.正確選擇電纜的種類和敷設方式。 為了減少動力電纜尤其是變頻裝置饋電電纜的輻射電磁干擾，筆者在某工程中采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，降低了動力線產生的電磁干擾。需要注意的是：不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應按傳輸信號種類分層敷設，嚴禁用同一電纜的不同導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敷設，以減少電磁干擾。
　　3.硬件濾波及軟件抗干擾措施。信號在接入計算機前，可以在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾。另外，在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。由于電磁干擾的復雜性，要根本消除干擾影響是不可能的，因此，在PLC控制系統的軟件設計和組態時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統的可靠性。常用的一些提高軟件結構可靠性的措施包括：數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，并采用動態零點，可防止電位漂移；采用信息冗余技術，設計相應的軟件標志位；采用間接跳轉，設置軟件保護等。
　　4.正確選擇接地點，完善接地系統。 接地的目的通常有兩個：一是為了安全，二是為了抑制干擾。完善的接地系統是PLC控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。
　　系統接地有浮地、直接接地和電容接地三種方式。對PLC控制系統而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。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控制系統接地線采用一點接地和串聯一點接地方式。集中布置的PLC系統適于并聯一點接地方式，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，應采用串聯一點接地方式，用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點，然后，將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于22mm2的銅導線，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻小于2Ω，接地極最好埋在距建筑物10～15m遠處，而且PLC系統接地點必須與強電設備接地點相距10m以上。
　　信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地；不接地時，應在PLC側接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地。多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經絕緣處理，選擇適當的接地處單點接地。
　　PLC控制系統的干擾是一個十分復雜的問題，因此，在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，對有些干擾情況還需做具體分析，采取對癥的方法，合理有效地抑制干擾，才能夠使PLC控制系統正常工作。