论文部分内容阅读
摘要： 随着自动化控制技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，其抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。分析PLC控制系统在实际应用中受到的主要干扰源，介绍PLC控制系统的抗干扰措施。
关键词： PLC；控制系统；干扰
中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0110192－01
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置，不仅能满足控制要求，还能满足现代化大生产管理的需要。自动控制系统中所使用的各种类型PLC，大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，虽然PLC在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰措施，具有较强的适应恶劣工业环境的能力和较高的可靠性，但由于PLC直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容易通过电源线或I/O传输线侵入，从而引起控制系统的误动作。要提高PLC控制系统的可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求用户高度重视PLC控制系统的抗干扰问题。
1 PLC系统中的主要干扰源
1）来自空间辐射的干扰。空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视信号、雷达信号、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于其射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是与频率有关。解决这个问题一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。
2）来自电源的干扰。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰在线路上的感应电压和电流。尤其是电网内部的变化，如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边，对PLC系统造成干扰。
3）来自信号线引入的干扰。配线之间存在着互感和分布电容，由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，形成传导耦合干扰，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起PLC系统故障的情况也是屡见不鲜的。
4）接地系统混乱引起的干扰。良好的接地是保证PLC正常工作的重要条件之一，也是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。接地可以避免偶然发生的电压冲击危害；接地能抑制电磁干扰的影响；接地能抑制设备向外发出干扰。
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地线与机器的接地端相联，基本单元必须接地，如果选用扩展单元，其接地点与基本单元接地点接在一起。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地线与动力设备（如电动机）的接地点应分开，若达不到此要求，则可与其他设备公共接地，严禁与其他设备串联接地。另外接地电阻要小于100Ω，接地线要粗，接地面积要大于2平方毫米，而且接地点最好靠近PLC装置，其间距离小于50米，接地线应避开强电回路，若无法避开时，应垂直相交，缩短平行走线的长度。
5）PLC系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，而应用部门是无法改变的，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
2 控制系统的抗干扰措施
消除干扰的主要方法是抑制干扰源，阻断干扰侵入的途径，降低系统对干扰的敏感性以及提高系统自身的抗干扰能力。
1）选择抗干扰性能好的设备。在选择PLC系统时，首先要考虑有较高抗干扰能力的产品，其中包括电磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干扰能力；其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，系统能承受的电场强度和频率的范围等；还要考虑硬件滤波及软件抗干扰措施，输出电路的抗干扰设计。对于PLC系统为开关量输出，可有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式。具体选择要根据负载要求来决定。PLC输出端子若接有感性负载，输出信号由从ON变为OFF或由OFF变为ON时都会有某些电量的突变而可能产生干扰。在设计时应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点。若负载超过了PLC的输出能力，应外接继电器或接触器，才可正常工作。
2）电源部分防干扰措施。电源的质量直接影响PLC控制系统的可靠性。在干扰较强或对可靠性要求较高的场合，可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。隔离变压器可以抑制从电源线窜人的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可靠接地。考虑到高频谐波干扰不是通过变压器绕组的互感耦合，而是靠初、次级寄生电容耦合，因此，隔离变压器的初、次级之间应采用三层屏蔽层保护，这样可明显提高对共模干扰信号的抑制能力。
3）PLC系统装置的接地设计。接地是为了安全和抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。PLC控制系统属高速低电平控制装置，它的接地一般采用专用的接地极直接接地。如不可能，也可与其他盘板共用接地系统，但须用自己的接地线直接与公共接地极直接相连。绝对不允许与大功率装置共用接地系统；PLC系统的接地距离PLC越近越好，即接地线越短越好。PLC系统如由多单元组成，各单元之间应采用一点接地和串联一点接地方式，以保证各单元间等电位。接地线截面积应大于2平方，接地线一般最长不超过20m，PLC接地系统的接地电阻一般应小于4欧姆。
4）防外部配线干扰。为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线，必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地。
3 结束语
随着自动化程度的进一步发展，自动控制在生产中的作用越来越大，但是如果因为干扰的原因导致自动控制的效果不好或根本不能控制，就有悖于设计者和用户的初衷。所以一个系统的实施必须要考虑到干扰可能带来的影响以及采取必要的抗干扰措施。最好是将干扰抑制在发生前，如果干扰不能避免就必须从传播途径或用其它方法来抑制干扰。各个车间和工厂的情况都是不同的，在实践中必须善于发现并根据不同的情况解决问题。只有这样才能发挥自动控制的优越性。
参考文献：
[1]段苏振，提高PLC控制系统可靠性的设计因素[J].电气传动，2003.
[2]张壹，浅谈PLC控制系统的抗干扰设计[J].商场现代化，2007，4.
[3]孙立军，PLC控制系统抗干扰设计初探[J].科技资讯，2007（01）.
关键词： PLC；控制系统；干扰
中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0110192－01
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置，不仅能满足控制要求，还能满足现代化大生产管理的需要。自动控制系统中所使用的各种类型PLC，大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，虽然PLC在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰措施，具有较强的适应恶劣工业环境的能力和较高的可靠性，但由于PLC直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容易通过电源线或I/O传输线侵入，从而引起控制系统的误动作。要提高PLC控制系统的可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求用户高度重视PLC控制系统的抗干扰问题。
1 PLC系统中的主要干扰源
1）来自空间辐射的干扰。空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视信号、雷达信号、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于其射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是与频率有关。解决这个问题一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。
2）来自电源的干扰。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰在线路上的感应电压和电流。尤其是电网内部的变化，如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边，对PLC系统造成干扰。
3）来自信号线引入的干扰。配线之间存在着互感和分布电容，由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，形成传导耦合干扰，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起PLC系统故障的情况也是屡见不鲜的。
4）接地系统混乱引起的干扰。良好的接地是保证PLC正常工作的重要条件之一，也是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。接地可以避免偶然发生的电压冲击危害；接地能抑制电磁干扰的影响；接地能抑制设备向外发出干扰。
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地线与机器的接地端相联，基本单元必须接地，如果选用扩展单元，其接地点与基本单元接地点接在一起。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地线与动力设备（如电动机）的接地点应分开，若达不到此要求，则可与其他设备公共接地，严禁与其他设备串联接地。另外接地电阻要小于100Ω，接地线要粗，接地面积要大于2平方毫米，而且接地点最好靠近PLC装置，其间距离小于50米，接地线应避开强电回路，若无法避开时，应垂直相交，缩短平行走线的长度。
5）PLC系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，而应用部门是无法改变的，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
2 控制系统的抗干扰措施
消除干扰的主要方法是抑制干扰源，阻断干扰侵入的途径，降低系统对干扰的敏感性以及提高系统自身的抗干扰能力。
1）选择抗干扰性能好的设备。在选择PLC系统时，首先要考虑有较高抗干扰能力的产品，其中包括电磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干扰能力；其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，系统能承受的电场强度和频率的范围等；还要考虑硬件滤波及软件抗干扰措施，输出电路的抗干扰设计。对于PLC系统为开关量输出，可有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式。具体选择要根据负载要求来决定。PLC输出端子若接有感性负载，输出信号由从ON变为OFF或由OFF变为ON时都会有某些电量的突变而可能产生干扰。在设计时应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点。若负载超过了PLC的输出能力，应外接继电器或接触器，才可正常工作。
2）电源部分防干扰措施。电源的质量直接影响PLC控制系统的可靠性。在干扰较强或对可靠性要求较高的场合，可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。隔离变压器可以抑制从电源线窜人的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可靠接地。考虑到高频谐波干扰不是通过变压器绕组的互感耦合，而是靠初、次级寄生电容耦合，因此，隔离变压器的初、次级之间应采用三层屏蔽层保护，这样可明显提高对共模干扰信号的抑制能力。
3）PLC系统装置的接地设计。接地是为了安全和抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。PLC控制系统属高速低电平控制装置，它的接地一般采用专用的接地极直接接地。如不可能，也可与其他盘板共用接地系统，但须用自己的接地线直接与公共接地极直接相连。绝对不允许与大功率装置共用接地系统；PLC系统的接地距离PLC越近越好，即接地线越短越好。PLC系统如由多单元组成，各单元之间应采用一点接地和串联一点接地方式，以保证各单元间等电位。接地线截面积应大于2平方，接地线一般最长不超过20m，PLC接地系统的接地电阻一般应小于4欧姆。
4）防外部配线干扰。为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线，必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地。
3 结束语
随着自动化程度的进一步发展，自动控制在生产中的作用越来越大，但是如果因为干扰的原因导致自动控制的效果不好或根本不能控制，就有悖于设计者和用户的初衷。所以一个系统的实施必须要考虑到干扰可能带来的影响以及采取必要的抗干扰措施。最好是将干扰抑制在发生前，如果干扰不能避免就必须从传播途径或用其它方法来抑制干扰。各个车间和工厂的情况都是不同的，在实践中必须善于发现并根据不同的情况解决问题。只有这样才能发挥自动控制的优越性。
参考文献：
[1]段苏振，提高PLC控制系统可靠性的设计因素[J].电气传动，2003.
[2]张壹，浅谈PLC控制系统的抗干扰设计[J].商场现代化，2007，4.
[3]孙立军，PLC控制系统抗干扰设计初探[J].科技资讯，2007（01）.