電氣控制與PLC控制系統(tǒng)抗干擾問題研究

周純

摘 要：電氣自動化設(shè)備所使用的PLC控制系統(tǒng)，在運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，影響著整個控制系統(tǒng)。因此，干擾問題是影響設(shè)備正常運行的主要問題，要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，設(shè)計人員只有預(yù)先了解各種干擾并有效控制才能保證系統(tǒng)可靠運行。本文對電氣自動化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；自動化設(shè)備；抗干擾；PLC控制系統(tǒng)

中圖分類號：TL362 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，電氣自動化對國民經(jīng)濟的發(fā)展起到舉足輕重的作用，自動化設(shè)備也因此在各個領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但是在實際應(yīng)用當中，自動化設(shè)備中的PLC控制系統(tǒng)往往會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)備高效率的運行，有必要對各種干擾源進行分析，并實施明確的抗干擾方法，這對自動化設(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)在實際應(yīng)用中，各種模擬信號數(shù)字信號及一些輔助電路中的繼電器、電源、電機、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，變化的磁場引發(fā)的電荷無序隨機的移動便產(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，大則引起設(shè)備撞車，損壞自動化設(shè)備或?qū)е氯松戆踩鹿剩斐山?jīng)濟利益受損。因此PLC控制系統(tǒng)抗干擾問題必須加強關(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

事實上在整個空間中，到處都存在著或強或弱的輻射，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，電磁輻射會直接對PLC控制系統(tǒng)的電路產(chǎn)生感應(yīng)，影響IO點的正常工作，或?qū)LC內(nèi)部通信產(chǎn)生干擾，造成錯誤的通信數(shù)據(jù)。

2.2 電源的干擾

電源是整個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、電機轉(zhuǎn)動的諧波、變壓器的不穩(wěn)定、短路沖擊等，對控制系統(tǒng)的電源都將造成影響。

2.3 信號線引入的干擾

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)動器、力矩馬達、信號燈及一些輸入裝置，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)有著密切的信號交換，在傳輸正確有效信號的同時，因信號線的長度、質(zhì)量和絕緣性能等因素，信號線總會受到一些雜波信號的干擾，特別是對高電平信號影響較大，這些干擾信號會引起PLC IO點工作不穩(wěn)定，通信異常等，影響整個控制系統(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。而在實際項目的運用中，通常存在接地不正確或接地混亂的情況，這對PLC控制系統(tǒng)也會造成嚴重的干擾。不正確的接地系統(tǒng)會造成各個接地位置存在電勢差，這種電勢差與PLC系統(tǒng)會形成閉環(huán)電流，影響著系統(tǒng)中的輸入信號采集，執(zhí)行器動作及正常通信。一般PLC工作的信號電壓范圍較窄，接地異常容易影響PLC控制系統(tǒng)的程序運行異常，數(shù)字信號交換異常，模擬信號精度下降等。

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，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，擴展模塊的不當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嚴格選型與使用，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，在實際運用中必須高度關(guān)注以上分析的干擾源，并實施有效措施加以合理控制，延長系統(tǒng)硬件壽命，并保證自動化設(shè)備的穩(wěn)定運行。

3.1 選用合適的電源

在PLC控制系統(tǒng)中，電源是整個控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電源來源一般是市電220V交流電，電網(wǎng)的擾動、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入整個控制系統(tǒng)。對于PLC供電電源，一般都采用隔離性能較好的電源，使用隔離器抑制進線處的高頻信號，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)動器串入的高頻諧波。電源線路的鋪設(shè)也應(yīng)該盡量遠離信號與通信線路，或用金屬板隔擋電源。有些型號的PLC主機是采用24V直流供電，因此在選擇開關(guān)電源時，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IO，或?qū)е缕渌盘柕漠惓！?/p>

3.2 選擇可靠的信號傳輸電纜

在自動化設(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，提升信號傳輸質(zhì)量是一個可行且有效的措施，其次，信號和通信電纜要選用帶屏蔽層的電纜。對供電線、信號線及通信線應(yīng)該選用不同的線纜，采用供電線與信號線傳輸線分開鋪設(shè)的方式，同時，信號線與通信線在走線槽里應(yīng)分層鋪設(shè)。避免一根電纜同時接入供電線和信號線，信號線與供電線應(yīng)避免平行鋪設(shè)，以減少信號干擾。對于傳輸高頻信號，應(yīng)該選用同軸電纜。對于在信號傳輸過程中出現(xiàn)的毛刺現(xiàn)象，需要通過安裝電容濾波來進一步調(diào)理信號的傳輸，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)備裝置之間信號的互連要求各設(shè)備裝置都要有一個基準“地”作為信號的參考地。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)字信號地和模擬信號地也應(yīng)分開接，通常采用懸浮的共地點。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的波動影響，PLC控制系統(tǒng)接地線應(yīng)采用一點接地或串聯(lián)一點接地方式。若是自動化設(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接到地極。對于信號線和通信線，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)防信號干擾。

3.4 選擇合適的濾波器

濾波器對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行安裝，就算是選用了性能良好的濾波器，同樣達不到預(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，應(yīng)該注意以下事項：

（1）使用板上濾波器時，布線時要在接線端預(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，減小近場干擾。

（3）如果設(shè)備，機柜是金屬外殼，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主機及擴展模塊

PLC在硬件設(shè)計上，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，PLC的電源線路與I/O回路加入了多重濾波電路的設(shè)計，因此PLC本身具有較高的可靠性和強抗干擾能力。但由于品牌、型號眾多，性能表現(xiàn)參差不齊，在不同的應(yīng)用場合和項目需求下，應(yīng)根據(jù)品牌型號、安裝方式、功能要求、擴展方式、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主機及擴展模塊。

結(jié)語

綜上所述，電氣自動化行業(yè)對于我國現(xiàn)階段的國民經(jīng)濟發(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化設(shè)備的大量應(yīng)用。然而，在自動化電氣控制實際運用中，PLC控制系統(tǒng)的性能因為存在諸多干擾因素運行效率及穩(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，在項目實施時合理有效控制，確保PLC控制系統(tǒng)能高效穩(wěn)定運行，盡可能地最大化利用自動化設(shè)備的性能。本文通過對PLC控制系統(tǒng)存在的干擾問題進行了解析，對于電氣控制及自動化的發(fā)展有著積極作用。

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