PLC系统电磁兼容问题的处理方法和原则

杨光

西门子工厂自动化工程有限公司，北京，100000

0 引言

自动化工程师会遇到工业现场出现的电磁兼容（EMC）问题。例如：现场采集的温度值总是有偏差、变频器启动时导致通信中断等等。在发生此类问题时，难以定位故障原因，需要占用生产时间处理问题，解决难度较高。因此，本文将针对工业现场控制系统常见的电磁兼容问题进行分析，阐述工业现场EMC问题产生的机理，提出科学合理的解决方案，帮助工程师快速处理EMC问题[1]。

1 工业现场电磁兼容综述

1.1 工业现场的电磁兼容现象

工业自动化应用工程师以及电气维护工程师在现场维护中可能遇到以下几方面问题。

（1）PLC现场模拟量数据采集不稳定，或与实际的差值比较大。

（2）当变频器启动时，现场总线会受到干扰，通信不稳定出现掉站的情况。

（3）上位机画面上的数据会瞬间丢失。

上述问题即为电磁兼容（EMC）的问题。

1.2 关于电磁兼容

（1）电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）的定义。根据IEC（国际电工委员会）定义，电磁兼容是指电子、电气设备共处一个环境中能互不干扰、兼容工作的能力。要求设备不产生多度干扰使其他设备工作失常，同时也要求设备具有一定的抗干扰能力，以保证在其他设备所产生的干扰环境下能正常工作。

（2）电磁干扰的形成要素。电磁干扰的形成须具备三个基本要素：①电磁骚扰源；②耦合路径；③敏感设备。

1.3 工业现场的电磁兼容现象的特点

除基本电磁兼容现象，在自动化现场，EMC问题特点如下。

（1）出现EMC问题时导致控制系统工作失误，例如：CPU停机、输出/输出信号不正常、通信中断等等。

（2）EMC问题具有偶发性，发生前难以预料，长期观察可总结规律。

（3）EMC问题难以立即判断故障原因，无法在短时间内解决；处理程序繁琐，处理成本较高。

（4）大多数EMC是由于忽视细节问题所导致的——比如布线不规范、设备没有做接地等等，需要在早期及时发现并避免。

（5）EMC的问题如果不能得到及时、妥善的处理，可能诱发严重故障现象。

因此，工业现场的EMC问题需要引起重视。而控制系统PLC在现场工作容易受到干扰，因此，本文将着重探讨PLC系统在工业现场如何防范EMC的问题。

1.4 PLC系统的电磁兼容

可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）即PLC系统，由CPU、内存、输入/输出接口、电源、数字/模拟转换等功能单元组成，可以将控制指令随时载入内存进行储存、运算与执行，是工业自动化设备和产线的基本控制单元（见图1）。

工业现场存在较多变频器、电机等大型的用电设备，现场电磁环境非常复杂。因此，需要关注如何防止PLC被其他设备干扰，应如何采取措施保证PLC系统在复杂电磁环境中正常工作,实现电磁兼容[2]。

为此，从电磁干扰三要素入手，对PLC系统进行分析，探寻存在的干扰因素。

（1）电磁骚扰源。电磁骚扰源是指其发射的电磁能量，能使共享同一环境的其他设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效的任何形式的自然或电能装置。PLC系统所有外部对其产生电磁方面影响的设备都可能是骚扰源（例如：电机），而其本身对外成为骚扰源的可能性则不大。

（2）耦合路径。耦合路径是指部分或全部电磁能量从规定源传输到另一电路或装置所经由的路径。PLC系统所有的连接导线、通讯电缆以及耦合空间都是干扰信号进入系统的可能路径。

（3）敏感设备。敏感设备是电气系统中被干扰对象的总称。敏感设备可能是体积较小的电子元件、电路板组件，或单独的用电设备，甚至大型系统。一般来讲，相对于外部复杂的电磁环境，PLC系统往往都是受到干扰的对象，可将其视为敏感设备。

2 PLC系统的电磁兼容分析

PLC涉及设备较多，各种设备之间具有较强的相互影响性，分析PLC系统的电磁兼容环境较为困难。因此，将采用系统分解的方法，将PLC系统划分为各子系统，分别对各子系统的电磁兼容环境进行分析，最后总结PLC系统的整体EMC环境及应对措施。

2.1 PLC子系统的划分

根据PLC系统的构成（见图2）以及实际应用的情况，将PLC系统划分为以下几个子系统。

（1）电源子系统。电源是PLC工作的基础，无电源供电情况下PLC系统无法正常运行。供电系统中往往存在着许多的杂波成分，可能会对PLC系统造成直接影响。因此将供电电源部分作为一个子系统研究。

（2）输入子系统。PLC的输入部分是数字量的输入部分以及模拟量的输入部分。但PLC系统输入部分，尤其模拟量的输入信号容易受到干扰，因此将这部分划分为一个子系统，称为输入子系统，主要研究范围包括数字量输入和模拟量输入部分的EMC问题。

（3）输出子系统。PLC实际应用过程中，数字量的输出一般都会连接到继电器、接触器、电机启动器等等元件或设备。设备带有线圈，因此在动作（例如关断）的过程中，会产生反向电动势，其中包含较多高频的干扰信号。高频干扰如果处理不到位，容易影响PLC工作，甚至导致PLC损坏，因此将这部分划分为输出子系统来研究[3]。

（4）通信子系统。显示屏、远程IO（Input/Output）从站等设备与PLC之间一般都是通过通信的方式进行数据交换，此类设备一般不会对PLC产生干扰。但由于通信电缆的存在，与PLC之间的通信可能存在EMC干扰，因此将其单独划分成为通信子系统来研究。

2.2 PLC子系统的EMC特性

鉴于子系统划分，可以分别对各子系统的EMC特性进行分析，如各子系统内的干扰源、干扰信号以及传输途径等特征，针对性采取措施，规划各子系统处理EMC问题的方案。最后综合并总结出PLC系统处理EMC问题的方法。

（1）电源子系统的EMC特性。电源子系统是指PLC的供电系统，包括低压配电系统和负载电源（见图3）。

低压配电：低压配电是指系统供电方式，按照GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》，按照接地方式不同将供电系统分为TN（包括TN-C、TN-C-S和TN-S）、TT和IT系统。各供电系统的基本特征为：①TN-C系统：全系统中，N线的功能和PE线的功能合并在一根导体中，即三相四线制供电系统。②TN-C-S系统：系统的N线和PE线从变压器到部分设备之间合并为一的根导体，而从部分设备后系统的N线和PE线分开，即为三相四线半系统。③TN-S系统：整个系统的N线和PE线是分开的两根导体，即三相五线制系统。④TT系统：整个系统存在一部分直接接地，电气设备的外露金属部分通过保护线接至与电力系统接地点无关的接地极上。⑤IT系统：整个系统的所有带电部分应与地隔离，或某一点通过高阻抗接地。除了考虑安全因素，从EMC的角度来讲，一般建议采用TN-S（即三相五线制）系统供电，该供电方式下，干扰信号会导入接地系统从而减少在系统内的流动，对整个系统的EMC有益。

负载电源：除了为负载提供相应等级的供电电压，从EMC的角度看，负载电源主要功能是电气隔离，即为负载提供稳定、干净的电源环境。因此，TN-S供电系统或采用质量可靠的负载电源，均为保证电源系统的稳定可靠。PLC系统中供电系统的稳定是PLC系统正常工作的前提，电源子系统对于整个PLC系统可看作干扰源[4]。

（2）输入子系统的EMC特性。输入子系统是PLC的数字量输入模块和传感器、模拟量输入模块和传感器等部分。

数字量输入：数字量输入都是干接点信号，触点没有线圈，因此传感器正常的接通或关断不会对PLC产生干扰。但外部传感器与数字量模块之间通过线缆连接，布线过程中可能经过线缆沟、线缆槽架或因数字量IO线缆是非屏蔽状态，容易通过耦合等方式将干扰引入PLC系统。

模拟量输入：由于模拟量信号采集设备一般都分布在工厂的各个位置，因此其本身所处的电磁环境会影响到信号的准确性；从模拟量信号源到输入模块通过导线连接，电缆的布线、电缆是否有屏蔽以及屏蔽层如何接地等因素也会影响模拟量信号是否受到干扰。因此，输入子系统需要重视线缆处理，解决干扰传输路径的问题。

（3）输出子系统的EMC特性。输出子系统是PLC的外部数字量输出模块及其所连接的执行器、模拟量输出模块及其所连接的传感器等部分。

数字量输出：数字量输出模块一般连接外部执行器设备，例如：继电器、接触器等。执行器带有线圈属于感性负载，感性负载在其工作线圈断开时，线圈的两端产生反向脉冲，导致瞬间高电压；线圈接通的瞬间，由于铁芯尚未完全闭合，电感量较小，因而冲击电流较大，相比稳态电流高6～10倍。瞬间电压或电流使开关触点间产生飞弧从而损坏触点，同时所产生强烈高频脉冲噪声将干扰信号通过辐射和传导向外发射，影响其他电路正常工作，甚至损坏PLC模块上的触点。因此，数字量输出回路需要采取措施尽量消除感性负载给PLC系统带来的干扰[5]。

模拟量输出：模拟量输入模块及传感器与模拟量输入类似，关注线缆的处理问题。

（4）通信子系统的EMC特性。通信子系统是工业现场常用的几种通信方式，例如：现场总线、工业以太网等网络系统。工业现场总线主要是串口通信，尤其基于485串口通信的现场总线；而工业以太网是基于以太网的通信，虽然在通信速率、网络拓扑上有较大的区别，但从EMC的角度看，其物理层的实现有类似之处，因此通信子系需要重视通信网络的物理层如何进行EMC防护和处理[6]。

2.3 PLC系统的电磁兼容问题处理措施和原则

通过对PLC各子系统的EMC特性的分析并针对性提出相应的处理措施，可较为完善地处理PLC系统的电磁兼容问题。

（1）电源子系统。电源子系统考虑电源的稳定性和电源的质量。在电源的处理中参照如下处理措施和原则：①防止电网剧烈波动或浪涌对PLC系统造成影响：在PLC的电源上增加稳压器或者采用UPS供电；增加用电防护设施（比如雷击高发区需要安装避雷器）。②在设计PLC的配电系统时，应当注意电源负载均衡：总的三相电源上，每个单相上的负荷应均匀分配；尽量不要在电源中接入非线性负载。③为PLC系统单独配电，采用专用的低压馈电线路，与其他种类的负荷分开。④PLC系统与总电源之间可以采用隔离变压器或者滤波器进行隔离或者滤波处理；通过以上措施保证PLC的供电系统工作稳定。

（2）输入子系统。输入子系统考虑线缆问题，参照如下处理措施和原则：

为了防止干扰信号通过耦合的方式进入PLC系统，可以考虑：①设计输入信号线的布线方式和路径，避免将输入信号线与电压等级较高的动力电缆长距离平行布线；②对于无法避免平行布线的情况，应尽量增大平行布线的输入信号线与动力电缆之间的距离，并尽量减小平行布线的长度；③线槽内增加金属隔板，将动力电缆与输入信号线缆隔开盖上盖板；④模拟量输入信号线缆须采用屏蔽电缆，并在PLC站点侧进行屏蔽层单端接地处理。

减少通过线缆传导共模干扰：在线缆外增加铁氧体磁环。

（3）输出子系统。输出子系统考虑感性负载为系统带来的干扰，可参照如下处理措施和原则：为了防止感性负载动作时产生的高频干扰信号对系统的影响：在线圈两端并联反向二极管（仅适用于直流电路）；在线圈两端并联双向稳压管。上述两种情况参考如下连接方式（见图4）。

在线圈两端并联压敏电阻，在线圈两端并联R-C回路。上述交流感性负载的输出抑制电路参见图5。

模拟量输出信号需要考虑线缆的影响，因此可以参照输入子系统中线缆的处理方式。

（4）通信子系统。通信子系统主考虑通信系统的物理层的EMC处理的方法和原则，如以下几个方面：①遵守通信总线、网络的拓扑规则和要求；②遵守通信总线、网线物理层布线的规范要求（例如：布线的要求、屏蔽层的处理等等）；③系统的多个通信站点之间的等电势处理。

3 结语

本文主要探讨了工业自动化现场PLC控制系统中的EMC问题。根据相关理论和多年的实践经验，提供现场分析EMC问题的原则和思路，总结在实际应用中处理PLC系统EMC问题的原则和方法。除具体的技术方面的方法和措施，还需要从组织层面加以重视。通过采取组织相关人员进行培训、设立相应的EMC专业岗位、在设计中增加EMC相关的审核机制等措施，有效解决系统的预防和处理EMC相关的问题，减少设备或者产线的随机故障，保证企业生产运营正常。