研讨工业控制系统中PLC的抗干扰策略

研讨工业控制系统中PLC的抗干扰策略

顾鸣昊

江阴兴澄特种钢铁有限公司江苏江阴214400

摘要：随着科学技术的高速发展，PLC系统被广泛应用在工业生产当中，利用PLC控制系统对生产过程进行控制，实现自动化的工业生产，不仅提高了工业企业的生产效率，还可以在一定程度上对生产质量进行控制，有效促进了工业的发展。与此同时，PLC系统在应用的过程中，容易受到系统自身因素，以及信号线和空间辐射的干扰，致使其可靠性较差，影响了其对工业生产的控制质量。因此，必须从干扰源入手，制定科学的抗干扰措施，有针对性地排除干扰源对PLC系统的干扰，提高PLC系统的抗干扰能力，提升其可靠性，实现对工业生产的高质量控制。

关键词：工业控制系统；PLC；抗干扰；策略

目前，PLC控制系统已经被广泛应用于工业生产中，但是受到技术水平有限的影响，其控制的能力依然会受到磁场和冲击等因素的影响，而出现失控的问题，不仅会影响到控制系统的耐久性，一旦控制系统失控，可能会大大降低生产效率，进而使得工厂的经济收益受到影响，难以满足企业的生产和发展需要。在这样的背景下，对PLC控制系统的干扰源进行研究就具有十分重要的理论和现实意义。只有这样，才能“对症下药”，提升PLC控制系统的使用性能，进而帮助企业创收更多的经济收益，并保障企业安全生产。

1、PLC控制系统的叙述

近年来，PLC技术已经发展成为了工业控制领域的主流技术之一，这主要是因为相对于其他控制手段而言，PLC控制技术具有很多优势，能够适用于很多工业生产领域并且发挥着不可替代的作用。以下将对PLC控制技术的优势介绍：

1.1实用性强

随着PLC控制技术不断提升，PLC控制器的适应能力也在不断提高，系统的自适应能力也不断增强，可以对采集工业现场数据进行各种运算并快速生成控制指令。控制精度和可靠性比人工控制更高。将PLC控制技术应用到工业控制领域，可以为生产过程管理带来巨大的便利，一方面可以弥补企业中专业控制人才不足的问题，另一方面也与当前的工业4.0、智能控制的发展趋势契合。

1.2设计周期短

PLC控制技术及其产品的标准化程度越来越高（如图1所示），能够适用于绝大多数的工业控制现场。设计人员仅需要使用PLC控制系统附带提供的交互交口和编程模块，就能很容易地设计出PLC控制程序，即使是一些非专业的人员，在经过短期的学习后也能胜任这项工作，使得系统的构建难度大大降低，设计周期也大大缩短，而这些对于快速部署或建设工业控制系统具有重要意义。

1.3具有很强的抗干扰能力

PLC控制系统一般都集成应用了一些抗干扰技术，比如独立电源、电光隔离技术、自我诊断功能等等，这些都为干扰条件下的控制系统正常运行提供了充分保障。此外，PLC控制技术一般通过循环扫描的方式来进行信息的输入和输出，这使得信息的采集时间非常短，这也在一定程度上避免了很多干扰因素了进一步提升。

2干扰PLC控制系统的类型

一般情况下，工业PLC控制系统干扰源多是电流或者电压剧烈变化造成的，在电流电压剧烈变化时，会造成电荷剧烈移动，从而形成干扰源。根据干扰模式不同，PLC控制系统干扰源可以划分为共模干扰和差模干扰两种形式。共模干扰主要是信号对地电位差造成的，一般来自电网串入、地电位差、空间电磁辐射信号线感应共态迭加，有直流和交流两类。差模干扰则是指信号两级之间的干扰，其中以空间电磁场在信号两级间产生的干扰为主，是空间电磁场在信号耦合感应和不平衡电偶共模干扰下产生的电压。

2.1空间辐射干扰

空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路，造成对系统的干扰。若此时PLC置于其辐射场内，其信号、数据线和电源线即可充当天线接收辐射干扰。此种干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场的大小，特别是与频率有关，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。

2.2电源的干扰

PLC系统控制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，空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达等产生的，通常称为辐射干扰，若PLC系统置于所射频场内，就会收到辐射干扰，而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。

2.3来自信号传输线上的干扰

除了传输有效的信息外，PLC系统连接的各类信号传输线总会有外部干扰信号地侵入。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降低，严重时将引起元器件损伤。若系统隔离性能较差，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、误动作甚至死机。

2.4数字电路引起的干扰

数字集成电路引出的直流电流虽然只有mA级，但是当电路处在高速开关时，就会形成较大的干扰。例如，TTL门电路在导通状态下从直流电源引出5mA左右的电流，截至状态下则为1mA，在5ns的时间内其电流变化为4mA，如果在配电线上具有0.5μH的电感，当这个门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为0.4V，如果把这个数值乘上典型系统的大量门的数值，虽然这种门电路的供电电压仅为5V，但所引起的干扰噪声将是非常严重的。在处理脉冲数字电路时，对脉冲中包含的频谱应有一个粗略概念，如果脉冲上升时间t已知，可用近似公式求出其等效最高频率:fmax=1/2πt。

2.5来自PLC系统内部的干扰

在工业应用的过程中，影响PLC系统可靠性的因素，除了空间辐射和系统外引线等外部干扰源，PLC系统内部原件和系统内部电磁感应等系统内部因素，也会干扰其正常运行。PLC系统内部电子元件的功率和规格必须与相关标准相符，与PLC控制系统想匹配，否则就会对PLC控制系统的运行产生干扰。

3工业控制系统中PLC的抗干扰措施

3.1硬件的抗干扰措施

加强PLC硬件设备的抗干扰能力是一个重要的途径。在选择PLC控制系统的硬件设备时，需要将设备的抗干扰能力作为一项重要的评价标准，而且要对硬件设备的抗干扰指标进行详细了解，比如设备的耐压能力、共模抑制比指标等等，尤其是了解设备在强磁场环境下是否可以保持稳定的运行状态。同时，在PLC控制系统的硬件设备选择时，也需要对其运行状态进行详细观察，尤其是国外生产厂家的设备，与国内阻电网制式的标准存在差异。另外，电网内阻较大的情况下，零点电位也会发生较大额漂移变化，这时就会导致相应的电位发生变化，因此我国在制定PLC控制系统硬件的抗干扰能力指标方面有着较为严格的要求，而且我国在硬件设备的选择方面也会以国内的标准作为依据，只有这样才能保证PLC控制系统的硬件设备符合PLC控制技术的环境要求。

3.2统软件的抗干扰措施

PLC控制系统运行过程中受到的干扰具有一定的随机性，因此仅仅针对PLC控制系统的硬件设备采用抗干扰措施，无法达到理想的抗干扰效果，所以需要在加强硬件设备抗干扰能力的同时，也需要对PLC控制系统的软件环境进行必要的改进。PLC控制系统的软件结构相对较为复杂，包括计数器、定时器、辅助继电器等电子元器件，利用这些软件系统可以对信号实现一定的屏蔽作用，保证系统运行的稳定性。在PLC控制系统中，可以通过设置防火墙、阻隔软件等结构对电磁干扰进行阻隔，并且加强对软件系统运行状况的实时监控，并且形成相应的运行数据记录，为系统的稳定运行提供必要的依据。在PLC控制系统的软件系统中运用定时器，可以在规定的时间内对设备运行状态进行监测，了解不同时间段内的系统运行状态，在发生故障和干扰时可以及时发出故障警报，及时采取有效的处理措施。

3.3接地系统的抗干扰措施

3.3.1控制系统与电源的接地处理

在PLC控制系统中，具有多种形式的“地”，对接地的处理有共地、浮地以及混合地三种方式。共地方式是将仪表及控制系统中的工作地（包括信号回路接地、屏蔽接地以及特殊要求的本质安全电路接地）、保护地（即机柜、箱、仪表盘等设备外壳或柜内设备外壳接地点）与电源接地点连在一起，整个系统以大地为电位参考点，这是在实际应用中采用较多的一种方式。如大地电位变化较大，信号电路将受到共模干扰，且易转成差模干扰，此时适宜浮地方式。此方式是将控制系统中工作地与保护接地点连在一块，但与电源接地点绝缘。但这种接地，机壳积累的静电不能自行释放，操作不安全，可采用保护共地（即保护地与电源接地点连在一处）和工作浮地的方式。

3.3.2控制系统接地

为防止接地导体成为辐射天线，其长度不应超过0.02λ（λ=v/f，λ为电子设备的工作波长，v=3×108km/s，为电磁波的传播速度，f为电子设备的工作频率）。接地导体长度小于0.02λ可采用单点接地，大于0.02λ应采用多点接地。PLC的工作频率一般不高于100kHz，当其接地导体长度不超过60m（一般均不会超过），可采用单点接地，接地点应尽量靠近控制器，接地线采用专用地线，选型须满足有关规范要求并应尽量粗，同时要避开强电线路和防雷引下线。另外需要注意的是接地导体长度需要避开λ/4及其奇数倍，因此时阻抗为无穷大，相当于一根天线，可接收和辐射干扰信号。屏蔽电缆的屏蔽层两端应在防雷区交界处做等电位连接，当系统要求只在一端做等电位连接时，应采用双层屏蔽或单层屏蔽加穿钢管敷设，外层屏蔽或钢管的两端应在防雷区交界处做等电位连接，既可解决静电感应又能消除磁场强度变化所感应的电压。屏蔽地、保护地、电源地、信号地均不能串接，要分别由各自独立的接地支线接到接地汇流牌或接地端子板上。当多芯电缆的备用芯线短接后在一点接地，屏蔽电缆的屏蔽层至少与其备用芯线要在同一侧接地；仪表电缆的屏蔽层至少在控制室仪表盘柜侧接地。

3.4电源部分的抗干扰措施

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。选用隔离性能较好的设备、选用优良的电源、动力线和信号线走线要更加合理等等，对电源变压器、中央处理器、编程器等主要部件，采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，以防止外界干扰信号的影响。电源调整与保护:电源波动造成电压畸变或毛刺，将对PLC及I/O模块产生不良影响。对微处理器核心部件所需要的＋5V电源采用多级滤波处理，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。尽量时电源线平行走线，时电源线对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰。其屏蔽层接地方式不同，对干扰抑制效果不一样，一般次级线圈不能接地。输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地，以抑制共摸干扰。此外可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路等。

3.5输入输出信号的抗干扰措施

为了防止输入、输出信号受到干扰，应选用绝缘型I/O模块。

3.5.1输入信号的抗干扰措施

输入信号的输入线之间的差模干扰可以利用输入模块滤波来减小干扰，而输入线与大地间的共模干扰可通过控制器的接地来抑制。在输入端有感性负载时，为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响，可采用硬件的可靠性容错和容差设计技术。对于交流输入信号，可在负载两端并联电容C和电阻R，对于直流输入信号，可并接续流二极管D。一般负载容量在10VA以下时，应选C为0.1μF，R为120Ω;当负载容量在10VA以上时，应选C为0.47μF，R为47Ω。具体电路如图2所示。

3.5.2输出电路的抗干扰措施

对于PLC系统为开关量输出，可有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式，具体选择要根据负载要求来决定。若负载超过了PLC的输出能力，应外接继电器或接触器，才可正常工作。PLC输出端子若接有感性负载，输出信号由OFF变为ON或从ON变为OFF时都会有某些电量的突变而可能产生干扰。在设计时应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点，如图3所示。对于直流负载，通常是在线圈两端并联续流二极管D，二极管应尽可能靠近负载，二极管可为1A的管子。

3.6外部配线的抗干扰措施

外部配线之间存在着互感和分布电容，进行信号传送时会产生窜扰。为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线，要使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧要悬空，而在控制器侧要接地。配线时在30m以下的短距离，直流和交流输入、输出信号线最好不要使用同一电缆，如果要走同一配线管时，输入信号要使用屏蔽电缆。30～300m距离的配线时，直流和交流输入、输出信号线要分别使用各自的电缆，并且输入信号线一定要用屏蔽线。对于300m以上长距离配线时，则可用中间继电器转换信号，或使用远程I/O通道。

3.7指令重复执行

指令重复执行就是根据需要使作用相同的指令重复执行多次，一般适用于开关量或数字量输入、输出的抗干扰。在采集某些开关量或数字量时，可重复采集多次，直到连续两次或两次以上的采集结果完全相同时才视为有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，发出报警信号。在满足实时性要求的前提下，如果在各次采集数字信号之间插入一段延时，数据的可靠性会更高。如果在系统实时性要求不是很高的情况下，其指令重复周期尽可能长些。

3.8建立更加完善与合理的PLC控制系统评价体系

逐步改变PLC控制系统评估方式，提升抗感染能力关键性与功能。一是要采取PLC控制系统价评估探索结果，健全PLC控制系统研究和评估方式。对于研究PLC控制系统干扰和抗干扰的问题，对解决方案进行评估，建立完善和合理的PLC控制系统评价体系，更好地为PLC控制系统服务，找到在运行过程中产生故障的原因，找到可能造成干扰的原因，一一排除，研究抗干扰性，实施在今后的PLC控制系统当中，减少在运行过程中事故率，更好地为社会各个领域服务。

结语

PLC控制技术作为高科技时代的产物，在工业生产的控制中起到关键作用，但其抗干扰能力还有待加强，只有解决了这个问题，PLC控制技术才能给工业生产带来更大的帮助，打破现如今PLC控制技术虽然占据重要地位，却难以在实际的工业生产之中发挥全部实力的尴尬处境。

参考文献

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