PLC控制系统干扰原因及解决措施*

张艳兵

(胶州市职业教育中心,山东 胶州 266300)

1 干扰的分类

PLC系统的干扰主要是电力场和电磁场辐射干扰.主要由两种途径形成干扰：一是由于电路波动，直接对PLC内部元件的干扰；二是通信线路受到辐射感应出其它非工作信号而产生的干扰.电力干扰与所用电源的性能存在着很大的关系，电磁干扰与所在场所的设备的功率、放置位置、产生的磁场大小及频率有关.下文介绍了几种干扰及解决措施.

1.1 电源引起的干扰

PLC系统的正常供电电源均由电力电网供电.电网电力的干扰、波动直接影响PLC系统的可靠性和稳定性，造成PLC控制系统的干扰故障情况很多.例如笔者曾整改一设备：一台塑料机械设备在运行初期所有温度显示都正常，但经过开机运行一段时间后有6个K分度热电偶信号超出量程信号.用示波器检测温度变送器直流电源，发现其间歇性存在40V、50HZ左右的干扰电压，超出温度变送器的工作电压.经排查温度变送器线路与控制电机的变频器线路是共线槽走线，变频器作为电机的电源提供者在工作中会进场产生电源波动，这就可看作是由电源引起的干扰.所以PLC供电电源、各种变送器的供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的各种仪表的供电电源是对PLC系统产生干扰主要原因.另外还有各种高容抗，屏蔽性能差的电器，其干扰信号通过等感应、耦合等方式进入PLC控制系统的信号采集线路.

1.2 接地引起的干扰

PLC控制系统基本单元必须接地，扩展单元接地点与基本单元接地共点.同样各种电源系统、动力系统、信号系统等也都有接地，但各种线路接地也是有要求的.PLC接地引起的干扰主要是由于PLC系统接地、交流接地、屏蔽接地和保护接地等接地混乱，使各个接地点之间存在着电位差，在线路上产生非工作电流，从而影响系统的正常工作.在此要强调的一点是：PLC系统尽量要用带屏蔽层的电缆，电缆屏蔽层必须有且仅有一点接地，如果两端都接地，一方面，两点间会存在电位差，在屏蔽层上产生出非工作电流，产生干扰信号；另一方面就是屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在交变磁场的作用下，屏蔽层感应出电流.笔者曾遇到一水泵设备，水泵运行时被监控的模拟量信号的显示值出现漂移，检查PLC采样模拟信号正常，直流供电输出正常，但交流供电负极存在25V、50HZ左右的干扰电压.经排查此电压即是因接地系统紊乱引起的，远程控制的综合水泵房采用同轴电缆连接，而同轴电缆的屏蔽层两端都同时接了地.

1.3 外部信号引入的干扰

通常PLC系统传输线路中的信号，除了有效工作信息外，还有其它干扰信号.此类信号使输入信号不能表现为正常工作信号，隔离性能比较差的系统，会导致信号间相互干扰，使PLC控制系统发出错误指令，导致设备的可靠性和精度大大降低，造成数据错误，设备误动作，甚至引起设备机械损伤.因信号干扰造成PLC控制系统输入输出部件损坏，而引起生产故障的情况也很多.还是上例水泵设备进行远距离控制，进行远动实验操作没有反应.经检查线路的物理连接正常，DI信号在PLC端有信号，而水泵控制端无信号.经排查因线路过长，且电缆屏蔽性较差，电缆通路中间有100V左右的交流干扰电压，干扰信号造成PLC无法识别原输入信号.

2 几种抗干扰措施

2.1 采用品能优秀的电源

采用隔离性能较好的电源，选择分布容抗小、抑制带大，具有多次隔离或屏蔽技术的电源，可以减少对PLC系统的干扰.主要方法有加装隔离、屏蔽、滤波、品能优秀的稳压电源等设备.设置滤波、隔离、屏蔽的作用主要是为了抑制电源线的干扰信号传导到PLC系统中；设置稳压电源的作用是为了将电网大容量设备起停引起电压波动与PLC系统隔绝开来，以防止电力暂态冲击通过输电线路和空间辐射传递过来，保持电压的稳定供给.另外还可以将供电系统分离开来.其它用电系统与PLC的控制系统分别设置独自的隔离变压器，并与主电源分开，这样当其它用电系统断电时，不会影响到PLC控制系统的电力稳定.

另外，因不间断电源即UPS具有较强的干扰隔离性能，所以使用UPS给PLC供电，可有效减少电源波动对PLC系统的干扰，并且供电的安全可靠性也大大提高，所以在线式不间断电源是一种PLC控制系统的理想电源.

2.2 正确敷设线缆，防止信号互侵

不管是接地原因引起的干扰还是外部非工作信号侵入引起的干扰，归根到底多数原因都是线缆没有正确的敷设和接地引起的.通常为抑制在电源侧及输入、输出侧的干扰，可以采用专用地线.良好的接地方式可在很大程度保证信号采集的正确性，能有效的防止外部干扰侵入，提高PLC控制系统的抗干扰能力.

在工作现场环境中为了减少供电线路尤其是动力线路产生的信号干扰，例如变频器装置馈电线路的干扰，大多采用了有铜带铠装屏蔽层的电力电缆，以减少干扰.

工作现场应按传送信号的种类来分别敷设电缆，不同类型的信号由不同的电力电缆传输，避免动力电缆与信号线缆因靠的太近或平行敷设而造成干扰，同一电缆的不同导线部分严禁用来分别传送动力和弱电信号，以减少电磁干扰.另外，各条线缆也要分类可靠接地，并且满足接地电阻的需求.

2.3 硬件滤波

选用品能优良的电源、隔离性能较好的电气设备，动力线和信号线合理走线，能解决干扰，但对于大型的设备比较繁琐，工作现场也往往不易操作并且成本很高.所以在实际工作中一般利用信号隔离器滤波器来解决此种情况的干扰问题.在信号输送到处理器之前，可以在信号线与地之间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极之间加装硬件滤波器来减少差模干扰.硬件滤波器其滤波工作过程中最主要的功能就是信号转换与调制解调.信号隔离器首先将PLC准备接收的信号，通过半导体元件调制转换，将电信号调制成磁或光信号，通过磁感或光感元件进行转换，并在此过程中对非工作信号进行隔离，然后再进行解调变换回隔离前工作需要的原信号.保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立.减少下级的控制回路中公共接地、变频器、电磁阀及不明脉冲对设备的干扰，消弱环境噪声对测试电路的影响.在有干扰的地方，输入端和输出端中间加上信号隔离器，就可有效解决干扰问题.另外加装继电器，节点信号经继电器隔离转换后送至PLC，也可有效滤除干扰.

2.4 软件抗干扰

虽然在PLC控制系统中采用了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的复杂性和随机性，很难保证系统完全不受外界干扰.因此可以在实施硬件抗干扰措施的基础上，设计PLC程序和组态时使用软件滤波措施加以补充.软件滤波抗干扰方法简单、灵活方便、成本低.

例如：为克服因偶然因素引起的脉冲干扰多用两次采样允许的最大偏差值的限幅滤波法或连续采样取中间值的中位值滤波法以及算术平均滤波法；如需要针对周期性干扰采用递推平均滤波法或一阶滞后滤波法等；另外，还有将每次采样值与当前有效值比较的消抖滤波法等等.

下面先简单介绍一个简单的滤波程序.

假设有一系统，系统启动后,每隔10秒将数据寄存器D5～D1中的数据分别移到数据寄存器D105～D101之中,求D105～D101的平均值并存入寄存器D50中.

LD X00 //系统启动

ANI T0

OUT T0 K100 //十秒移数据

LDP T0

BMOV D1 D101 K5 //数据批量传送

LD X00

MEAN D101 D50 K5 //求平均值

下面举例说明采用三菱FX2n系列PLC基于限幅和平均滤波电磁控制站中的软件抗干扰程序.

对应部分程序如下：

LD M8000

FROM K0 K10 D80 K12 10个取样数据读入

LD M111

SFWR D80 D49 K10 限幅、平均滤波

LD M8000

MEAN D50 D40 K10 求平均，将结果放入D40

SUB D50 D40 D60

………………………略

SUB D59 D40 D69

MUL D60 D60 D70 计算差值平方

………………………略

MUL D69 D69 D88

DMEAN D70 D90 K10 计算差均平方

DMUL D10 K10 D92

DDIV D92 K5 D94

SQR D94 D30 差均平方放入D30

DMUL D30 K3 D100

DSUB D40 D100 D102

DADD D40 D100 D104

ZCP D102 D104 D116 M110 剔除干扰

注：寄存器D40存放幅值，寄存器D30存放一系列采样数值正态分布的均方差，辅助继电器M110实现范围判断，将合格的数据输送到PLC数据列.

说明：本程序初始化后，先从A/D模块中读入10个初始数据，计算出幅值和正态分布的均方差，再判断新的采集数据是否符合相应的数理统计规律的区间，如是，则替换数列第一个数据，如非，剔除.如此循环.

PLC 控制系统的干扰的出现具有随机性和复杂性，因此在实际工作的过程中应综合考虑各方面可能的因素，具体问题具体分析，采取适当的方法，从而合理有效地抑制干扰，才能够使 PLC 控制系统正常可靠的工作.

参考文献：

[1]吴舒翰,陈梅.西门子PLC控制系统抗干扰分析[C]．第六届全国信息获取与处理学术会议论文集，2008 .

[2]张羽,王晨.关于PLC控制系统性能的探究[J]．信息与电脑(理论版)，2011(01).

[3]陈治国,邓先明．煤矿供电综合自动系统的容错技术[J]．煤矿安全，2007(10).

[4]汤朝霞,黄伟.PLC控制系统抗电磁干扰设计[J]．工业控制计算机，2009(12).