PLC应用中的可靠性和抗干扰技术

PLC应用中的可靠性和抗干扰技术随着相关技术的进展，plc的功能也越来越强，使用越来越便利。但是，整机的牢靠性高只是保证系统牢靠工作的前提，在设计和安装PLC系统的过程中还要实行相应的措施，才能保证系统牢靠工作。假如PLC的工作环境过于恶劣，如温度过高、湿度过大、振动和冲击过强，以及电磁干扰严峻或安装使用不当等，都会直接影响PLC的正常、平安和牢靠运行。假如外围电路的抗干扰措施不当，整个掌握系统的牢靠性就大大降低。因此，在系统设计时应予以充分的考虑，在硬件上进行适当的配置，并辅以相应的软件，以实现系统故障的防范。PLC掌握系统的牢靠性直接影响到企业的平安生产和经济运行，系统的抗干扰力量是整个系统牢靠运行的关键。因此，分析讨论PLC应用中的牢靠性和抗干扰技术是非常必要的。要提高PLC掌握系统的牢靠性，既要在硬件上实行措施，又要在软件上设计相应的爱护程序。

1.PLC掌握系统中的干扰源

PLC系统的干扰源依据其来源分为内部干扰源和外部干扰源两类，一般主要包括以下几个方面。

（1）来自电气掌握柜设备内部的干扰

①来自PLC系统内部的干扰，主要由PLC系统内部元器件及电路间的电磁辐射产生，如规律电路相互辐射及其对模拟电路的影响，数字地、模拟地和系统地处理不当而相互影响，以及元器件间的相互不匹配使用等。这属于PLC制造商对系统内部进行电磁兼容设计的内容，作为使用者是无法转变的。

②电气掌握柜中使用诸如大功率变频器和沟通接触器等简单产生干扰的器件。此类干扰有电路参数和工作点选择不当而引起的震荡或波形畸变、快速上升的脉冲源以及在信号传送时阻抗的不匹配、器件的物理噪声（如元件热噪声、触点热电势等）。

③由于元器件布局不合理造成的内部信号相互串扰。如线路中存在的电容性元件引起的寄生振荡以及由于电路规律设计和系统电气设计不合理所产生的干扰。

（2）来自电气掌握柜外部的干扰

①来自电源的干扰。由于PLC系统的正常供电电源均由电网供电，因电源引入的干扰造成PLC掌握系统故障的状况许多，如高压断路器、隔离开关、大容量变压器等的影响，大型电力设备起停和交直流传动装置引起的谐波，各种电气设备（电动机、空气开关等）、电焊机及电力系统的短路故障等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采纳隔离电源，但制造工艺等因素使其隔离性并不抱负。由于分布电容的存在，肯定隔离是不行能的。

②来自信号线引入的干扰。与PLC掌握系统连接的各类信号线除了传送各类有效的信息之外，还会受到空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰。这类干扰信号会引起PLC的I/O信号工作特别。

③来自接地系统的干扰。由地线侵入的静电耦合或电磁耦合可对系统产生干扰。在PLC掌握系统中，由于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，形成共模噪声，影响系统正常工作。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，屏蔽层内会消失感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合干扰信号回路。若系统地与其他接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内规律电路和模拟电路的正常工作。正确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。错误的接地不仅会引入干扰信号，接地线本身还会成为天线向外辐射噪声，干扰PLC掌握系统的正常工作。

④按钮、继电器等工作时触点间产生的电弧、静电产生的火花放电、外界的高频加热器、高频淬火设备、杂乱的无线电波信号等带来的干扰等。

（3）其他干扰

①雷击造成的过电压和过电流。

②温度变化引起的接触电阻的变化。

③机械振动。

2.干扰途径

PLC掌握系统受到干扰的主要途径有电源线、输入/输出线和空间传播等。电源受干扰后，PLC掌握系统的供电质量变差，会引起PLC掌握失灵。输入/输出线受干扰后，会消失输入/输出掌握紊乱。空中干扰主要以电磁感应和静电感应形式使PLC的CPU消失误操作。

3.PLC掌握系统中的抗干扰措施

PLC掌握系统的牢靠性设计在系统设计中占有重要地位，在实际设计中，应依据应用系统的详细特点和应用环境的详细条件，敏捷地选择行之有效的牢靠性设计技术和抗干扰措施，全面、合理地考虑系统的软件和硬件设计，从总体上提高系统的抗干扰力量和牢靠性。

PLC掌握系统中的干扰是一个非常简单的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰状况还需做详细分析。在实际开发过程中，应充分考虑到对PLC的各种不利因素，在硬件、软件的设计和安装中实行适当的爱护措施，才能保证掌握系统平安、牢靠地运行。

要提高PLC掌握系统的牢靠性，针对干扰产生的缘由，必需从设计阶段就实行相应的抑制措施，常见的措施有提高装置和系统的抗干扰力量、抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径等，基本的抗干扰措施如表1所示。

表1常用的抗干扰措施

工程设计人员仅仅了解抗干扰的原则，把握抗干扰的最基本措施还不够，很多状况下干扰源对系统的干扰不是那么明显，应综合考虑各方面的因素，在实践中不断总结。在实际的工程设计中通常采纳的主要抗干扰措施有：

（1）选择抗干扰力量强的产品

在掌握系统的设备选型阶段，考虑到各厂家PLC抗干扰性能的优劣，选型时就需选择有较高抗干扰力量的产品，其包括了电磁兼容性（ElectromagneticCompatibility，EMC），尤其是抗外部干扰的力量，如采纳浮地技术、隔离性能好的PLC。其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压力量、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等。另外最好的方法是考察该型号PLC在类似工作环境中的使用状况。

（2）采纳性能好的电源，抑制电网干扰

在PLC掌握系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC掌握系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU电源、I/O电源等）、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。PLC系统的供电电源一般都采纳隔离性能较好的电源，变送器的电源及与PLC有直接电气连接的仪表的供电电源应选择分布电容小、抑制带大（如采纳多次隔离和屏蔽及漏感技术）的产品，以削减对PLC系统的干扰。

此外，PLC电源要与整个供电系统的动力电源分开，一般在进入PLC系统时加屏蔽隔离变压器。屏蔽隔离变压器的次级侧至PLC系统间必需采纳不小于2mm2的双绞线。屏蔽体一般位于一、二次侧两线圈之间并与大地连接，这样就可消退线圈间的直接耦合。另外，电源谐波比较严峻时，可在隔离变压器前面加滤波器来消退电源的大部分谐波。必要时可在供电的电源线路上接入低通滤波器，以滤去高频干扰信号。滤波器应放在隔离变压器之前，即先滤波后隔离。分别供电系统，将掌握器、I/O通道和其他设备的供电采纳各自的隔离变压器分别开来，也有助于抗电网干扰。（3）电缆的选择和敷设

PLC掌握系统的线路中有电源线、输入/输出线、动力线和接地线，布线不当则会造成电磁感应和静电感应等干扰，因此必需根据特定的要求布线。动力电缆为高压大电流线路，PLC系统的配线靠近时会受到干扰，因此布线时要将PLC的输入/输出线与其他掌握线分开，不要共用一条电缆。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线，而且后者应采纳屏蔽线，并且将屏蔽层接地。数字传送线也要采纳屏蔽线，并且要将屏蔽层接地。外部布线时应将掌握电缆、动力电缆、输入/输出线分开且单独布线，相互之间一般应保持30cm以上的间距。当实际状况只能允许在同一线槽布线时，就用金属板把掌握电缆、动力电缆、输入/输出线间隔开来并屏蔽，金属板还必需接地。隔离变压器二次侧的电源线要采纳2mm2以上的铜芯聚氯乙烯绝缘双绞软线。经过这样处理的电源线、输入/输出线与动力线就可以削减外界磁场及相互之间的干扰。

（4）安装中的抗干扰措施

PLC掌握系统所处的环境对其自身的抗干扰也有肯定的关系，因此在安装时应留意以下几个方面。

①滤波器、隔离稳压器应设在PLC掌握柜的电源进线口处，不让干扰进入掌握柜内，或尽量缩短进线距离。

②PLC掌握柜应尽可能远离高压柜、大动力设备和高频设备。

③PLC要尽可能远离继电器之类的电磁线圈和简单产生电弧的触点。

④PLC要远离发热的电气设备或其他热源，并放在通风良好的位置上。

⑤PLC的外部要有牢靠的防水措施，以防止雨水进入，造成机器损坏。

（5）正确选择接地点，完善接地系统

接地的目的通常有两个，一是为了平安，二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC掌握系统抗电磁干扰的重要措施之一。

系统接地方式有浮地方式、直接接地方式和电容接地3种。PLC掌握系统属于高速低电平掌握装置，应采纳直接接地方式。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掌握系统的接地线一般采纳一点接地和串联一点接地的方式，最好单独接地，也可以与其他设备公共接地，但严禁与其他设备串连接地。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。假如装置间距较大，应采纳串联一点接地的方式，即用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采纳截面大于20mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻应小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC系统的接地点必需与强电设备的接地点相距10m以上。

信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地，不接地时应在PLC侧接地。信号线中间有接头时，屏蔽层应坚固连接并进行绝缘处理，肯定要避开多点接地。多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。连接接地线时，应留意以下几点：

①PLC掌握系统单独接地。

②PLC系统的接地端是抗干扰的中性端子，正确接地可以有效消退电源系统的共模干扰。

③PLC系统的接地线至少用20mm2的专用接地线，以防止感应电的产生。

④输入/输出信号电缆的屏蔽线应与接地端子连接，且接地良好。

（6）外围设备干扰的抑制

①PLC输入/输出端子的爱护

当输入信号源为感性元件，输出驱动的负载为感性元件时，对于直流电路应在其两端并联续流二极管。对于沟通电路，应在其两端并联阻容汲取电路。其作用是为了防止在感性输入或输出电路断开时产生很高的感应电势或浪涌电流对PLC输入/输出端和内部电源的冲击，若PLC的驱动元件主要是电磁阀和沟通接触器线圈，应在PLC输出端与驱动元件之间增加光电隔离的过零型固态继电器。

②输入/输出信号的防错

当输出元件为双向晶闸管或晶体管而外部负载又很小时，由于这类输出元件在关断时有较大的漏电流，使输入电路和外部负载电路不易关断，导致输入/输出信号的错误，为此应在这类输入/输出端并联旁路电阻，以减小PLC的输入电流和外部负载上的电流。

③漏电流

当采纳接近开关、光电开关等直流两线式传感器输入信号时，若漏电流较大，应考虑由此而产生的误动作，使PLC输入信号不能关断。一般在PLC的输入端子上接一旁路电阻，以削减输入阻抗。同样用双向晶闸管输出时，为避开漏电流等缘由引起的输出元件关断不了，也可以在输出端并联一旁路电阻。

④浪涌电压

在PLC触点（开关量）输出的场合，不管PLC本身有无抗干扰措施，都应采纳RC汲取回路（沟通负载）或并接续流二级管（直流负载），以汲取感性负载产生的浪涌电压。

⑤冲击电流

用晶体管或双向晶闸管输出模块驱动白炽灯之类的负载时，为爱护输出模块，应在PLC输出端并接旁路电阻或与负载串联限流电阻。

（7）电磁干扰的抑制

依据干扰模式的不同，PLC掌握系统的电磁干扰分为共模干扰和差模干扰。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等在信号线上感应的电压叠加所形成。共模电压有时较大，特殊是采纳隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这是PLC系统I/O模块损坏率较高的主要缘由）。这种共模干扰可为直流，也可为沟通。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的感应以及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压。这种电压叠加在信号上，直接影响测量与掌握精度。为了保证PLC掌握系统在工业环境中免受或削减电磁干扰，一般采纳隔离和屏蔽的方法。

（8）软件抗干扰措施

由于电磁干扰的简单性，要根本消退干扰的影响是不行能的，因此在PLC掌握系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的牢靠性。

由于噪声、开关的误动作、模拟信号误差等因素的影响，PLC的外部开关量和模拟量输入信号会消失错误，引起程序推断失误，造成事故。当按钮、开关作为输入信号时，则不行避开产生抖动。假如输入信号是继电器/接触器触点，有时会产生瞬间跳动，引起系统误动作。在这种状况下，可采纳定时器延时来去掉抖动，定时时间依据触点抖动状况和系统要求的响应速度而定，这样可保证触点的确稳定闭合（或断开）后才执行特定的任务处理。

对于模拟信号可采纳多种软件滤波方法来提高数据的牢靠性。连续采样多次，采样间隔依据Ａ/Ｄ转换时间和信号的变化频率而定。采样数据先后存放在不同的数据寄存器中，经比较后取中间值或平均值作为当前输入值。常用的数字滤波方法有程序推断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、算术平均值滤波、去极值平均滤波等。

①程序推断滤波适用于对采样信号因受到随机干扰或传感器不稳定而引起的失真进行滤波。设计时依据阅历确定两次采样允许的最大偏差，若先后两次采样的信号差