PLC控制系统的抗干扰措施

李 琳

(武夷学院 电子工程系, 福建 武夷山, 354300)

PLC控制系统的抗干扰措施

李 琳

(武夷学院 电子工程系, 福建 武夷山, 354300)

可编程控制器(简称PLC)广泛应用于社会生产各个行业，因此保证其工作的可靠性就显得尤为重要. 通过对PLC控制系统在工业现场控制中存在的干扰因素的分析，提出了采用多级电源滤波器、根据IEC规定特别强调电源线和信号线宜在同一通道内布线、合理接地、外部隔离等电路设计方法以及软件编程等措施，提高PLC控制系统的抗干扰能力. 并经生产现场证明这些方法对确保PLC控制系统的可靠运行是行之有效的.

PLC；控制系统；抗干扰

可编程控制器(以下简称PLC)是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备，作为一种特殊形式的计算机控制装置，专为在工业环境下应用而设计. 它由初期的微计算机技术与继电器控制技术巧妙地融合在一起，实现开关量的逻辑控制，发展到目前可以实现运动控制、过程控制、数据采集和通信联网及集散控制等. 它的应用几乎覆盖了所有工业领域，既能改造传统机械产品成为机电一体化的新一代产品，又适用于生产过程控制，实现工业生产的优质、高产、节能与降低成本. 由于PLC直接应用于工业环境，因此它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围，这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征.

在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直接与现场的输入/输出(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[1]. 要提高PLC控制系统的可靠性，就要求用户高度重视PLC控制系统的抗干扰问题.

1 外部干扰的来源

我们曾经对某机械厂热处理车间的一些生产设备的电气控制部分进行改造，采用PLC控制系统替代原来的继电器逻辑、顺序控制系统. 这个车间的工作环境比较恶劣：存在大容量电器设备、大功率整流设备等.

由于PLC是直接与被控对象的电子设备相连接，因此周围的干扰很容易引起PLC控制系统的误动作. 诸如控制系统供电电源的波动以及电源电压中产生的高次谐波；其它设备或空中强电场通过分布电容的耦合窜入到控制系统内；周围大容量电气设备启动、停止时的电磁感应；信号线引入的干扰及接地系统混乱的干扰等等.

2 抗干扰的措施

2.1 电源系统抗干扰设计

大容量电器设备在起动和通电时引起电压降低；大功率整流设备、开关模式电源产生大量谐波；大功率电焊机等引起电源电压的剧烈波动. 这些干扰设备产生的电压扰动通过电源线路的阻抗耦合将干扰PLC控制系统的正常工作，为此采用了如下的抗干扰措施.

a. 滤波和隔离. 针对可靠性要求比较高且干扰较强的场合，在PLC交流电源的进线端接入带屏蔽层的隔离变压器和多级滤波器(以往只采用低频滤波器)(见图1).

图1 多级滤波电路与隔离变压器

图1中100 μH电感和0.1 μF的电容组成高频滤波器抑制高频干扰；0.5 H电感和10 μF电容组成的低频滤波器吸收电源电压波形畸变而产生的谐波干扰；压敏电阻RW吸收过电压干扰，正常工作时相当于开路，出现尖峰干扰脉冲时被击穿，干扰电压被压敏电阻RW钳位. 隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力,屏蔽层应可靠接地. 通过实际现场使用，这种多级电源滤波电路效果很好，但要注意滤波器的输入侧和输出侧的线路均不能靠近或交叉.

b. 分离配电系统. 将PLC、输入/输出(I/O)、其他设备的电源线分别配线(见图2(a)). 由各自的隔离变压器供电，并与主回路电源分开，隔离变压器与PLC和与I/O电源之间应采用双绞线连接. 同时，系统的动力线应足够粗，以降低大容量电器设备起动时的线路压降.

图2 使用隔离变压器或UPS并分别配线的供电系统

c. 使用UPS供电. 由于该车间的用电设备多为二级负荷，根据负荷等级要求不能中断供电. 因此采用在线式不间断供电电源(UPS)，保证电网断电后不中断对PLC控制系统的供电，提高供电的可靠性. 同时UPS还具有较好的干扰隔离性能，在现场中使用效果显著(见图2(b))[2-3].

2.2 对感性负载引起的干扰的处理

在生产现场存在着大量的具有储能功能的感性负载. 当控制触点断开时，电路中的感性负载会产生高于电源电压十几倍甚至几十倍的反电势；触点吸合时，会因触点的抖动而产生电弧，它们都会对控制系统产生干扰.

a. 抑制输入、输出信号干扰的措施. 若在PLC的输入、输出端接有交流感性负载L时，对于交流电路为了防止反电势损坏模块，在负载L两端并接阻容元件(RC)作为浪涌吸收器(见图3(a))；若是直流电路，在负载L两端并接续流二极管VD(见图3(b)).

元件参数的确定：电阻R可以取51～120 Ω，电容C可以取0.1～0.47 μF，电容C的耐压要大于电源的峰值电压. 续流二极管VD的额定电流选为1 A，其额定电压要大于电源电压的3倍.

图3 PLC输入、输出端接有感性负载

b. 对于大容量的感性负载如电动机和电力变压器启停产生的干扰，还可以在交流接触器的触点两端并接RC浪涌吸收器或在电源相线间设置RC浪涌吸收器.

2.3 PLC外围配线的布局

目前我国部分规范和手册中规定电源线和信号线应分开一定距离，这种规定不完全正确. 我们发现在生产现场，同时存在有多套PLC控制系统或PLC与计算机等其它智能设备组成通信网络进行数据通信这种实际情况. 若每套设备的电源线和信号线未布置在同一通道内，在各套设备之间将形成一个大面积的包绕环，当空间产生高频变电磁场时，此包绕环内将感应产生幅值甚大的涌压，将干扰甚至损坏PLC控制系统[4]. 因此根据IEC(国际电工委员会)规定，PLC系统设备电源线和信号线宜布置在同一通道内，以减少包绕面积. 在通道内为避免电源线产生的电磁场对信号线的干扰，电源线和信号线宜采用屏蔽电缆、穿钢管电线或双绞线且信号线应加屏蔽并在两端接地.

2.4 正确选择接地点，完善接地系统

在PLC控制系统中，具有多种形式的“地”，主要有信号地、交流地、屏蔽地、保护地. 因此良好的接地，可以减少由电位差引起的干扰电流；可以防止由漏电流产生的感应电压，这是保证PLC可靠工作的重要条件. 当信号频率低于1 MHz 时，可采用一点接地(见图4(a))；若信号频率高于10 MHz时，应采用多点接地，即PLC应设有独立的、良好的接地装置，与其它强电设备应分别使用自己的接地装置(见图4(b))；信号频率在1～10 MHz之间可视实际情况采用上述两种方式中的一种. 接地线的截面积应大于2 mm2，接地电阻小于100 Ω，接地点与PLC的距离应小于50 m.

图4 PLC控制系统的接地方法

2.5 强烈干扰环境下的隔离措施

在某些工作现场，空间中极强的电磁场和大电流、高电压的通断都会对PLC控制系统产生强烈的干扰. 这些干扰在PLC输入线上产生的感应电压和电流足以使PLC输入端隔离用的光电耦合器中的发光二极管发光，造成光电耦合的隔离作用失效,使PLC产生误动作. 针对这种情况，对于用长线引入PLC的开关量信号，可采用小型中间继电器来隔离. 因为光电耦合器中发光二极管的最小工作电流仅几毫安，而小型中间继电器的线圈吸合电流为数十毫安，强电干扰信号通过电磁感应产生的能量不可能使隔离用的继电器吸合. 同时中间继电器具有多对触点，可以用来分别为PLC、上位计算机、指示灯提供输入信号.

为了提高抗干扰能力和防雷击，PLC的外部信号、PLC与上位计算机及其它智能设备之间的串行通信信息还可以使用光纤进行传输和隔离.

2.6 抗干扰的软件措施

采用了上述的硬件措施有时不能完全消除干扰的影响，还应配合以下软件措施：

a. 在软件中增加延时模块, 提高对伪信号的甄别能力. 继电器瞬动触点的动作接触时间一般大于20 ms, 可采用软件延时20 ms；或对同一信号的开关量输入做2次或2次以上读入，结果一致确认输入有效.

b. 利用计数器消除输入信号触点“振动”干扰.实际应用中，由于外界干扰会发生触点X00时通时断的“振动”现象(见图5(a))，输出Y30会发生触点“振动”，这种干扰直接影响PLC控制. 采用计数器可消除这种干扰，其梯形图(见图5(b))，当“振动”干扰使X00断开时间间隔Δt＜K×0.1(K为计数常数)，计数器输出为0，输出继电器Y30保持导通，干扰不影响PLC正常工作. 只有当X00断开时间Δt≥K×0.1时，计数器C60计满K次，C60为“1”， Y30才输出为0. 在实际调试中可根据干扰情况调整K值.

图5 消除输入干扰方法

3 结语

PLC控制系统的抗干扰设计是整个控制系统中的重要环节之一，在实际应用时应综合考虑各种干扰因素做具体分析，有针对性地采取各种消除方法，合理有效地抑制干扰，以确保PLC控制系统可靠、正常地工作.

[1] 周林, 廖常初. 提高可编程序控制器控制系统可靠性的措施[J]. 电工技术, 2000(6)： 20-22.

[2] 王卫兵, 宋欣. 可编程序控制器原理及应用[M]. 3版.北京： 机械工业出版社, 2009： 340-344.

[3] 刘介才. 工厂供电[M]. 北京： 机械工业出版社, 2009：9.

[4] 白如琼. 自动化控制系统抗干扰措施[J]. 机床电器, 2009(5)： 60-62.

PLC control system’s antijamming measure

LI Lin
(Electronic Engineering Department, Wuyi University, Wuyishan 354300, China)

The programmable controller (i.e. PLC) widely applies in social product each profession, Therefore the guarantee its work's reliability appears especially important. Through to the PLC control system the disturbance factor analysis which exists in the industry scene control, Proposed uses the multistage power source filter, to stress the power line and the holding wire specially according to the IEC stipulation suitably in the identical channel wiring, reasonable earth, exterior isolation measures and so on and so on circuit design methods as well as software programming, Sharpens the PLC control system's antijamming ability. And after produces the scene to prove that these methods to guaranteed the PLC control system's reliability service is effective.

PLC; control system; antijamming

TM 712

：A

1672-6146(2010)04-0049-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.04.014

2010-09-30

李 琳(1960-), 女, 副教授, 研究方向为自动控制技术的研究与应用.