浅析PLC系统的抗干扰问题

2010-01-01刘泰山

中国新技术新产品 2010年15期

关键词：信号线共模屏蔽

刘泰山

（中国华电工程（集团）有限公司，北京 100048）

1 概述

要提高PLC的可靠性，一方面要求PLC制造商提高设备的抗干扰能力，另一方面要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视多方配合有效地增强系统的抗干扰性能。

2 电磁干扰源及其对系统的影响

2.1 干扰源及干扰的一般分类

影响PLC系统的干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。按噪声产生的原因分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压。

2.2 PLC系统中电磁干扰的主要来源

2.2.1 来自系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，这都属于PLC制造商对系统内部进行电磁兼容设计的内容比较复杂，作为使用部门可不必过多考虑，但要选择有较多工程使用业绩且成熟系统。

2.2.2 来自系统外引线的干扰

主要通过信号和电源线引入，通常称为传导干扰。

（1）来自信号线的干扰。与PLC连接的各类信号线除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰。由信号线引入的干扰会引起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，造成逻辑数据变化、误动作和死机。PLC因信号线引入的干扰造成I/O模块损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。

（2）来自电源线的干扰。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而在线路上感应电压和电流。尤其是电网内部的变化，大型电力设备起停、电网短路暂态冲击、交直流传动装置引起的谐波等都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但由于其机构及制造工艺等因素使其隔离性并不理想，再加上分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。

（3）来自接地系统混乱时的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。良好的接地既能抑制电磁干扰的影响又能抑制设备向外发出干扰；反之会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。PLC系统的接地包括交流接地、屏蔽接地、系统接地和保护接地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果两端接地则存在地电位差有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。

此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。

2.2.3 来自空间的辐射干扰

空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电气设备、电力网络的暂态过程、无线电广播、雷电、雷达、电视和高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰。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，特别是频率有关，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。

3 PLC控制系统的抗干扰设计

为保证PLC在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，须在设计阶段采取三个方面抑制措施:一是抑制干扰源；二是切断或衰减电磁干扰的传播途径；三是提高装置和系统的抗干扰能力。PLC系统的抗干扰是一个系统工程，不仅要求制造商设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具体情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。具体工程的抗干扰设计主要分为以下两个方面。

3.1 综合抗干扰设计

主要考虑来自系统外部的几种有效抑制措施。主要包括:对PLC系统及外部引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外部引线进行隔离、滤波，特别是动力电缆，分层布置，以防通过外部引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。

3.2 设备选型

在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，包括电磁兼容性（EMC）、外部抗干扰能力等，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次了解制造商提供的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作；另外考查其在类似工作中的应用实绩。

4 主要抗干扰措施

4.1 正确选择接地点完善接地系统

接地的目的一是为了安全，二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC抗电磁干扰的重要措施之一。PLC属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。

4.2 电缆选择的敖设

为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆须采用铠装屏蔽电力电缆，以降低电磁干扰。不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。

4.3 硬件滤波及软件抗如果措施

信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。由于电磁干扰的复杂性在PLC的软件设计和组态时进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。如数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。

4.4 采用性能优良的电源抑制电网引入的干扰

电网干扰串入PLC系统主要通过PLC系统的供电电源、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在PLC供电电源一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。因此，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大的配电器，以减少PLC系统的干扰。此外，应保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。