PLC控制系统抗电磁干扰设计

邢宇鹏 谢颖

[摘    要]PLC计算机控制设备广泛应用于工业自动化领域，其大多工作在强电设备所形成的恶劣电磁环境中，如何降低电磁干扰对PLC控制系统的影响，保证系统可靠运行就十分重要。从电磁干扰信号的来源入手，提出了降低电磁干扰的方法，并在具体的实际工程设计中得以应用，取得了较好的效果。

[关键词]PLC;电磁干扰;抑制;有效途径

[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]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计算机控制设备广泛应用于工业自动化领域。PLC的抗干扰能力直接影响到系统可靠运行，所以提高其抗干扰能力非常重要。由于PLC大多工作于电机、变频器等大功率设备所形成的交变电磁场内，电磁环境差，极其容易被干扰，所以要保证PLC控制系统可靠运行，必须从硬件和软件入手，采取必要的方法和手段，减小电磁干扰对其的影响。

1 电磁干扰信号的来源

PLC控制系统所受的电磁干扰程度，取决于其工作的环境，不同的工作环境其所受干扰的种类和强度也不相同，根据干扰类型，PLC控制系统所受到的电磁干扰分为以下几种。

1.1 供电电源产生的电磁干扰

PLC通常采用的都是交流电源，而一般交流电源均存在电压波动，当存在大功率用电设备，电网电压波动尤为明显，电网中会含有一定的谐波成分，大功率用电设备造成的电压波动会产生交流磁场，这些因素对PLC控制系统会造成干扰，严重时甚至会造成PLC在运行中出现死机。电源的干扰类型如图1所示。

1.2 工作环境的辐射电磁干扰

如果PLC系统安装在射频场内，信号传输线上会产生感应电动势，形成的感应电压和感应电流，造成辐射干扰，引起PLC接地回路出现电势差，造成PLC工作异常和模拟量测量产生较大的误差，当接地回路的电势差过大时会造成PLC的误动、死机，甚至损坏，如图2所示。

1.3 接地混乱引起的干扰

正确合理的接地，不仅可以减小电磁干扰对PLC的的影响，又能抑制PLC向外发出干扰信号，PLC控制系统的地线包括系统地（SE）、屏蔽地（FE）和保护地（PE）等。若接地系统混乱，则各个接地点电位分布不均，在不同接地点间产生电位差，出现环路电流，影响PLC系统的正常工作。

2 抗电磁干扰的有效途径

抗电磁干扰的主要方法是：降低噪声源等级，消除产生干扰的原因;阻断电磁干扰传播的路径，或提高传递路径抗电磁干扰的能力;选择高抗干扰能力的PLC，降低其对噪声的敏感度。

2.1 供电电源设计

配电采用三相五线制（TN-S），所有的控制电源經过隔离变压器后进行二次分配。柜内地线与中性线分开，采用16 mm2黄绿电缆接地，接地电阻应小于4 Ω。

PLC系统供电的电源应与大功率用电设备、变频器等分别使用不同的变压器供电，采用性能较好的隔离电源，当电源条件恶劣时，可考虑采用在线式不间断供电电源（UPS）供电。

2.2 辐射干扰的抑制

PLC内部具有光电耦合器和可控硅等元器件，可以实现内外信号的隔离，使PLC免受外部电源波动的影响。但实际上，因为电源波动产生的感应电磁场，造成的共模和差模信号无法消除，从而产生模拟信号数据采集的误差，开关量控制上的错误。为此，设计时应注意以下几个方面。

2.2.1 传输电缆的选择

PLC系统的模拟信号或数字信号线的连接电缆，应采用屏蔽电缆，屏蔽层应单端接地。数字信号连接电缆的屏蔽层应两端接地。

大功率用电设备的动力电缆，应采用屏蔽电缆。PLC的信号线路可采用光电耦合器进行隔离，PLC和上位机之间的通信线路尽可能使用光纤或使用光电耦合器隔离;通讯电缆应优先选用PLC生产厂家提供的专用电缆。PLC控制柜电缆布置如图3所示。

2.2.2 信号种类的选择

模拟信号应采用4～20 mA的电流信号;开关量采用24V较高的电压等级。

2.2.3 环境和布线要求

PLC应远离强干扰源，离动力线至少应200 mm。

不同类型线应分层敷设，信号线和动力线不能平行走线或布置在同一个线槽内;PLC的数字信号线与大功率动力线走线时应分开;开关量与模拟量线应相互分开敷设;在同一线槽内敷设信号电缆时，应按传输信号的类别分层敷设。如图4所示。

2.2.4 PLC输入输出端的保护

当PLC输入输出端连接的是感性负载时，应防止感性负载关断时产生的高压损坏PLC的输入输出端。若为直流电路，应在感性负载两端并接1 A左右的续流二极管，若为交流电路，应在感性负载两端并联阻容电路。

2.2.5 I/O箱与主控柜的连接

为了减少干扰，所有I/O控制箱与主控柜之间铺设黄绿双色线接地线，如图5所示。

2.3 正确选择接地方式

PLC控制系统属于低压控制装置，应采用单点直接接地方式。低压电器单点接地方式有：串联式单点接地、并联式单点接地和多分支单点接地三种。对于集中布置的PLC系统应采用并联式单点接地方式。对于分散布置的PLC系统，应采用串联式单点接地方式。接地线应选择截面积大于2.5 mm2的黄/绿铜导线，母线铜排的截面积应不小于6 mm2，接地电阻应小于4 Ω。

3 工业以太网电磁干扰的抑制

PLC控制系统网络环境较复杂，且车间的电磁环境较差，所以在系统设计时，应从以下几方面考虑工业以太网的抗干扰设计。

（1）网络设计时，在满足信息节点数据传输需要的基础上，尽量优化整个网络的结构，减少网络布线在工业环境中的长度。

（2）采用具备冗余管理的工业级管理交换机，铺设光纤冗余环网。若交换机不具备冗余管理，则应避免环形网络结构，采用星形网络架构。

（3）若布线距离较长或需经过强干扰源时，应选择光纤敷设。

（4）采用工业屏蔽双绞线是避免高低频电磁干扰电磁干扰最有效手段，正确的接地是避免干扰的关键。屏蔽接地应该只有唯一的接点，以保持接地点的地平衡。

（5）网络电缆与动力电缆需并行敷设时，应保持足够的平行距离;需要交叉敷设时，可采用正交方式并保持一定距离;网络电缆在整个通讯长度范围内应尽量远离感应器、变压器等较大干扰源。

（6）桥架设计中，网络电缆桥架必须和动力电缆桥架分别敷设，并保持一定的距離。在需要动力电缆、通讯电缆并行敷设时（比如2种电缆下穿接入同一个分布式控制箱时），必须采用大桥架套小桥架或桥架隔板等方式敷设。

4 结束语

彻底消除PLC控制系统的电磁干扰，从成本、设计和加工来说是不合理的。PLC抗干扰设计的目的是使其在存在电磁环境下工作时，各系统都能正常工作，达到兼容目的。因此要保证PLC控制系统不会由于电磁干扰的影响而出现误动作或不工作，就应从电源、传输、负载等环节着手，采用综合治理方法，减小电磁干扰对系统的影响，保证设备的可靠运行。

参考文献

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[2] 赵歧诚.论电磁兼容性设计理念[J].电子学报，2020，48（2）：238-242.

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[5] 王永胜，李伟，郭文卿.强电磁环境下无人机的电磁防护技术[J].安全与电磁兼容，2020（5）：95-99.