PLC控制系統抗電磁干擾設計

邢宇鵬 謝穎

[摘 ? ?要]PLC計算機控制設備廣泛應用于工業自動化領域，其大多工作在強電設備所形成的惡劣電磁環境中，如何降低電磁干擾對PLC控制系統的影響，保證系統可靠運行就十分重要。從電磁干擾信號的來源入手，提出了降低電磁干擾的方法，并在具體的實際工程設計中得以應用，取得了較好的效果。

[關鍵詞]PLC;電磁干擾;抑制;有效途徑

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]PLC computer control equipment is widely used in the field of industrial automation， most of its work is in the harsh electromagnetic environment formed by strong electric equipment， how to reduce the influence of electromagnetic interference on PLC control system， it is very important to ensure the reliable operation of the system. Starting from the source of the electromagnetic interference signal， this paper puts forward a method to reduce the electromagnetic interference.

[Keywords]PLC;electromagnetic interference;represses;effective approach

PLC計算機控制設備廣泛應用于工業自動化領域。PLC的抗干擾能力直接影響到系統可靠運行，所以提高其抗干擾能力非常重要。由于PLC大多工作于電機、變頻器等大功率設備所形成的交變電磁場內，電磁環境差，極其容易被干擾，所以要保證PLC控制系統可靠運行，必須從硬件和軟件入手，采取必要的方法和手段，減小電磁干擾對其的影響。

1 電磁干擾信號的來源

PLC控制系統所受的電磁干擾程度，取決于其工作的環境，不同的工作環境其所受干擾的種類和強度也不相同，根據干擾類型，PLC控制系統所受到的電磁干擾分為以下幾種。

1.1 供電電源產生的電磁干擾

PLC通常采用的都是交流電源，而一般交流電源均存在電壓波動，當存在大功率用電設備，電網電壓波動尤為明顯，電網中會含有一定的諧波成分，大功率用電設備造成的電壓波動會產生交流磁場，這些因素對PLC控制系統會造成干擾，嚴重時甚至會造成PLC在運行中出現死機。電源的干擾類型如圖1所示。

1.2 工作環境的輻射電磁干擾

如果PLC系統安裝在射頻場內，信號傳輸線上會產生感應電動勢，形成的感應電壓和感應電流，造成輻射干擾，引起PLC接地回路出現電勢差，造成PLC工作異常和模擬量測量產生較大的誤差，當接地回路的電勢差過大時會造成PLC的誤動、死機，甚至損壞，如圖2所示。

1.3 接地混亂引起的干擾

正確合理的接地，不僅可以減小電磁干擾對PLC的的影響，又能抑制PLC向外發出干擾信號，PLC控制系統的地線包括系統地（SE）、屏蔽地（FE）和保護地（PE）等。若接地系統混亂，則各個接地點電位分布不均，在不同接地點間產生電位差，出現環路電流，影響PLC系統的正常工作。

2 抗電磁干擾的有效途徑

抗電磁干擾的主要方法是：降低噪聲源等級，消除產生干擾的原因;阻斷電磁干擾傳播的路徑，或提高傳遞路徑抗電磁干擾的能力;選擇高抗干擾能力的PLC，降低其對噪聲的敏感度。

2.1 供電電源設計

配電采用三相五線制（TN-S），所有的控制電源經過隔離變壓器后進行二次分配。柜內地線與中性線分開，采用16 mm2黃綠電纜接地，接地電阻應小于4 Ω。

PLC系統供電的電源應與大功率用電設備、變頻器等分別使用不同的變壓器供電，采用性能較好的隔離電源，當電源條件惡劣時，可考慮采用在線式不間斷供電電源（UPS）供電。

2.2 輻射干擾的抑制

PLC內部具有光電耦合器和可控硅等元器件，可以實現內外信號的隔離，使PLC免受外部電源波動的影響。但實際上，因為電源波動產生的感應電磁場，造成的共模和差模信號無法消除，從而產生模擬信號數據采集的誤差，開關量控制上的錯誤。為此，設計時應注意以下幾個方面。

2.2.1 傳輸電纜的選擇

PLC系統的模擬信號或數字信號線的連接電纜，應采用屏蔽電纜，屏蔽層應單端接地。數字信號連接電纜的屏蔽層應兩端接地。

大功率用電設備的動力電纜，應采用屏蔽電纜。PLC的信號線路可采用光電耦合器進行隔離，PLC和上位機之間的通信線路盡可能使用光纖或使用光電耦合器隔離;通訊電纜應優先選用PLC生產廠家提供的專用電纜。PLC控制柜電纜布置如圖3所示。

2.2.2 信號種類的選擇

模擬信號應采用4～20 mA的電流信號;開關量采用24V較高的電壓等級。

2.2.3 環境和布線要求

PLC應遠離強干擾源，離動力線至少應200 mm。

不同類型線應分層敷設，信號線和動力線不能平行走線或布置在同一個線槽內;PLC的數字信號線與大功率動力線走線時應分開;開關量與模擬量線應相互分開敷設;在同一線槽內敷設信號電纜時，應按傳輸信號的類別分層敷設。如圖4所示。

2.2.4 PLC輸入輸出端的保護

當PLC輸入輸出端連接的是感性負載時，應防止感性負載關斷時產生的高壓損壞PLC的輸入輸出端。若為直流電路，應在感性負載兩端并接1 A左右的續流二極管，若為交流電路，應在感性負載兩端并聯阻容電路。

2.2.5 I/O箱與主控柜的連接

為了減少干擾，所有I/O控制箱與主控柜之間鋪設黃綠雙色線接地線，如圖5所示。

2.3 正確選擇接地方式

PLC控制系統屬于低壓控制裝置，應采用單點直接接地方式。低壓電器單點接地方式有：串聯式單點接地、并聯式單點接地和多分支單點接地三種。對于集中布置的PLC系統應采用并聯式單點接地方式。對于分散布置的PLC系統，應采用串聯式單點接地方式。接地線應選擇截面積大于2.5 mm2的黃/綠銅導線，母線銅排的截面積應不小于6 mm2，接地電阻應小于4 Ω。

3 工業以太網電磁干擾的抑制

PLC控制系統網絡環境較復雜，且車間的電磁環境較差，所以在系統設計時，應從以下幾方面考慮工業以太網的抗干擾設計。

（1）網絡設計時，在滿足信息節點數據傳輸需要的基礎上，盡量優化整個網絡的結構，減少網絡布線在工業環境中的長度。

（2）采用具備冗余管理的工業級管理交換機，鋪設光纖冗余環網。若交換機不具備冗余管理，則應避免環形網絡結構，采用星形網絡架構。

（3）若布線距離較長或需經過強干擾源時，應選擇光纖敷設。

（4）采用工業屏蔽雙絞線是避免高低頻電磁干擾電磁干擾最有效手段，正確的接地是避免干擾的關鍵。屏蔽接地應該只有唯一的接點，以保持接地點的地平衡。

（5）網絡電纜與動力電纜需并行敷設時，應保持足夠的平行距離;需要交叉敷設時，可采用正交方式并保持一定距離;網絡電纜在整個通訊長度范圍內應盡量遠離感應器、變壓器等較大干擾源。

（6）橋架設計中，網絡電纜橋架必須和動力電纜橋架分別敷設，并保持一定的距離。在需要動力電纜、通訊電纜并行敷設時（比如2種電纜下穿接入同一個分布式控制箱時），必須采用大橋架套小橋架或橋架隔板等方式敷設。

4 結束語

徹底消除PLC控制系統的電磁干擾，從成本、設計和加工來說是不合理的。PLC抗干擾設計的目的是使其在存在電磁環境下工作時，各系統都能正常工作，達到兼容目的。因此要保證PLC控制系統不會由于電磁干擾的影響而出現誤動作或不工作，就應從電源、傳輸、負載等環節著手，采用綜合治理方法，減小電磁干擾對系統的影響，保證設備的可靠運行。

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