PLC系統在工業應用中的抗干擾分析

趙　斌

（新疆焦煤集團設備工程部新疆烏魯木齊830025）

PLC系統在工業應用中的抗干擾分析

趙斌

（新疆焦煤集團設備工程部新疆烏魯木齊830025）

對PLC控制系統在工業應用中常見的干擾類型進行了分析，針對不同的干擾，提出了相應的抗干擾措施。

PLC 干擾 措施

可編程控制器（PLC）在實際應用中，由于工業現場情況復雜，常常受到很大的電磁干擾。其混入到輸入模塊的干擾或感應電壓，容易引起錯誤的輸入信號，使得程序運算出錯誤的結果，導致輸出模塊錯誤的輸出信號。為了使PLC安全可靠的工作，因此在控制系統設計中需要采取一些有效的抗干擾措施來提高PLC控制系統的抗干擾性能力，提出以下解決措施和方法。

一、抗電源干擾的措施

由電源引入的干擾在現場較為常見。控制系統一般由電網的低壓電源供電，電網的波動、大功率用電設備啟停、變頻器及高壓設備的啟停引起的諧波等，均都通過輸電線路傳到電源的一次端。抑制電源干擾一般可采取如下措施：

（1）PLC電源通常采用隔離變壓器。即在PLC電源輸入端使用隔離變壓器，注意其初級繞組和次級繞組分別加屏蔽層，并將屏蔽層可靠接地，對抑制電網干擾信號有較好效果。同時，二次側接線使用雙絞線，能有效減少電源線間干擾。

（2）使用濾波器。濾波器在一定頻率范圍內具有較強的抗干擾能力，同時可防止將設備本身的干擾傳導給電源。在干擾嚴重場合，常常同時使用隔離變壓器和濾波器。通常較好的方法是既使用濾波器同時也使用隔離變壓器，此時應先接入濾波器再接隔離變壓器。

（3）采用分離供電方式。將CPU、I/O模塊及儀表變送器等分別由各自的具有隔離功能的直流電源供電，并與主回路電源分開。。

（4）在重要的PLC控制系統中，應配置在線UPS供電，UPS供電既可提高電源的供電可靠性，同時具有較強的隔離性能。

二、防I/O模塊干擾的措施

1.從抗干擾角度選擇I/O模塊。I/O模塊的選擇主要要考慮以下因素：輸入輸出信號與內部回路隔離的模塊比非隔離的模塊抗干擾的性能好；晶體管型的無觸點輸出的模塊比有觸點輸出的模塊在CPU側的干擾小；輸入模塊允許的輸入信號ON-OFF電壓差大，抗干擾性能好；輸入信號響應時間慢的輸入模塊抗干擾的性能好。

2.防輸入信號干擾的措施。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，嚴重時會將I/O模塊損壞，造成系統故障。抑制信號線引人的干擾可采取如下措施：（1）輸入設備的輸入信號的線間干擾（差模干擾）用輸入模塊的濾波可以使其衰減，而輸入信號線與大地間的共模干擾在PLC內部回路產生較大的電位差，是引起PLC誤動作的主要原因。為了抗共模干擾，控制器須采取良好的接地加以抑制。

（2）在輸入端有感性負載時，為了防止反沖擊感應電動勢損壞模塊，對交流輸入信號，可在負載兩端并聯電容C和電阻R，對直流輸入信號，可并聯續流二極管V。見圖1。

圖1　感性負載時輸入端抗干擾措施

交流輸入方式時，其中R、G的選擇要適當才能起到較好的效果。一般：負載容量小于10 VA時，R可選120歐姆，C可選0.1微法；負載容量在10 VA以上時，宜選47歐姆，C宜選0.47微法。

（3）抑制輸入感應電動勢：由于輸入信號線間、輸入信號線和其他線之間存在寄生電容，通過電耦合會產生感應電動勢，感應電壓的存在也是干擾信號的一個重要原因。為抑制感應電動勢，一般采用下面的三種措施：①一般盡量采用直流輸入，在感應電壓大的場合改交流輸入為直流輸入。②對于交流輸入，可在輸入端并聯浪涌吸收器。③如配線距離長、電流大，感應電壓大，可用繼電器加以轉換。

3.防輸出信號干擾的措施。輸出信號干擾的產生：感性負載場合，輸出信號由“OFF”變為”ON”時產生突變的電流；由“ON”變為”OFF”時產生反向的感應電動勢；此外電磁接觸器等接點也會產生電弧。

PLC系統的開關量輸出模塊有繼電器、晶體管、晶閘管3種輸出形式，防止輸出信號干擾的措施具體選擇要根據負載要求來決定有以下幾條：（1）如對于交流感性負載，在開關時產生干擾較大的場合，可使用雙向晶閘管輸出模塊。（2）對于直流感性負載，通常是在線圈兩端并聯二極管V，二極管應盡可能靠近負載，其反向耐壓應是負載電壓的4倍以上。（3）對于交流感性負載，應在線圈兩端并聯RC浪涌吸收器，且RC愈靠近負載，抗干擾效果愈好。具體見圖2。（4）交流接觸器的觸點閉、斷產生的電弧干擾可在觸點兩端連接RC浪涌吸收器。

圖2　感性負載時輸出端抗干擾措施

從防止輸出干擾的角度選擇輸出模塊掌握在有干擾的場合盡量選用裝有浪涌吸收器的模塊。

4.防止外部接線干擾的措施。（1）集成電路或晶體管設備的輸入信號線，應選用屏蔽電纜傳輸；模擬量信號是連續變化的信號，容易受干擾，須選用屏蔽電纜。（2）當模擬量信號離PLC距離較遠時，應盡量采用4 mA～20 mA電流傳輸方式；屏蔽電纜的屏蔽線處理須注意在輸入/輸出側懸空，在PLC側接地。（3）PLC通信電纜須選擇PLC生產原廠家提供或推薦的專用電纜。（4）交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出應分別使用各自的電纜；（5）PLC的輸入、輸出線要與動力線分開。（6）300 m以上的長距離場合需考慮使用中繼轉接或采用遠程I/O站就近接入。（7）變頻器到電動機的動力電纜必須要遠離信號電纜。在變頻器到電動機之問須增加交流電抗器，電抗器盡量和變頻器在同一柜中。（8）PLC的接地線須與電源線或動力線分開。

三、接地系統引入的干擾

良好的接地可抑制內部噪聲耦合，防止外部干擾侵入引起的誤動作，也可防止漏電流產生的感應電壓。采用單端接地和兩端接地的方法是PLC控制系統抗干擾的有效手段之一。

（1）單端接地可以有效地避開地環路電流的干擾，此種方式最好。以屏蔽線的接地為例加以分析。其中ES為信號源，RS為信號源內阻，RL為負載電阻。見圖3。

圖3　屏蔽線的接地方法

單端接地時，假設信號電流i1從芯線流人屏蔽線，流過負載電阻RL之后，再通過屏蔽層返回信號源。因i1與i2大小相等方向相反，故產生的磁場干擾相互抵消，抑制磁場干擾同時抵制磁場耦合干擾。也可采用兩端接地時，由于屏蔽層上流過的電流是i2與地環電流iG的疊加，抑制磁場耦合干擾的能力也比單端接地差。

（2）接地線應盡量避開強電回路和主回路的電纜，不能避開時應垂直相交，接地線應盡量粗不能小于2.5 mm2。

（3）接地點應盡量靠近控制器，一般接地點與控制器的距離不大于50 m。

四、軟件抗干擾

硬件抗干擾措施是盡可能阻止干擾進入控制系統，但無法將干擾完全消除，對于模擬量信號常因為現場的瞬時干擾產生較大的波動，使得PLC采集的信號不真實。在信號的采集過程中，可以采用軟件濾波的抗干擾措施來進一步消除信號的隨機誤差。

常用數字濾波方法是慣性濾波法、平均值濾波法、加權平均值濾波法。

五、結束語

工業現場環境惡劣，各類干擾的存在是不可避免的，應綜合考慮以上所列的各種因素，按照現場的具體情況合理選擇有效的措施來抑制干擾，從而確保PLC控制系統安全可靠工作。

［1］高欽和.可編程序控制器應用技術與設計實例