可编程序控制系统的干扰源及抗干扰措施浅析
【摘要】可编程序控制系统即PLC的稳定性对工业的安全生产及经济的正常运行起着至关重要的作用。本文在简要阐明PLC控制系统干扰来源的基础上，重点分析了电磁干扰对PLC控制系统的影响，并且对抗电磁干扰这一难题提出了切实可行的解决措施。
【关键词】PLC控制系统；稳定性；干扰源
引言
在冶金行业之中，PLC控制设备通常情况下会被配置在强电电路、强电设施所共同构成的相对比较恶劣的电磁环境里面，在这样的环境之中，PLC控制系统很容易受到各种各样工业性电磁辐射的影响，因此，只有切实提升PLC控制系统的抗干扰水平，在系统结构设计、设施配置、系统维修过程中运用高效可行的方法，才可以提升PLC控制系统的安全性、可靠性。
1、电磁干扰的具体种类及其可能会造成的影响
对PLC控制系统容易造成影响的干扰源一般都会出现在电流以及电压变化特别突出的位置，电荷可能会出现强烈波动的位置实际上就是干扰源头。根据噪声出现缘由的不同，可以将具体的干扰种类分成如下几种：放电产生的噪声、高频振动产生的噪声、浪涌产生的噪声等；根据噪声具体性质以及波形的不一样，可以将噪声分成持续性的噪声、偶然发生的噪声等；根据噪声干扰的方式方法的差异，可以将噪声分为共模的噪声和差模的噪声等。
虽然干扰种类按不同缘由有多种分法，但目前普遍认为共模干扰和差模干扰是一种比较科学合理的分类方式。对共模干扰而言，它主要是由干扰电压与信号电压产生共振所致。这里的干扰电压主要包括周围电线的错误串联、地电位差以及大气层中电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。由于共模电流会对周围的电路产生很强的辐射干扰，故其产生的共模电压相对较大，尤其是对于绝缘性能较差的配电器供电来说，由于较高的共模电压的存在，造成变送器输出的信号不稳定。据有关报道指出，该共模电压有时可高达130V。此外，由于不完全对称电路的影响，使得共模电压极易转化为差模电压，不仅损坏其中的某些构件，尤其是I/O模件的损坏大部分都是由此引发的，而且使测控信号受到极大的影响。上述共模干扰的电流既可以使直流电，也可以是交流电。与此相反，差模干扰主要由空间电磁场在信号间耦合感应及不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种电压直接叠加在信号上，直接影响测量和控制精度。
2、PLC系统的主要干扰源
2.1大气层电磁波的干扰
由于PLC系统周围存在着各种各样的电力线，这些电力线则会通过相互接合而产生较强的电磁场，从而对PLC系统产生了较强的辐射干扰。如果我们将PLC系统放在上述的大气层电磁场中，该系统则强烈的被周围的电磁场所干扰。
研究发现，大气层电磁波对PLC系统的影响主要由两个方面组成：首先是电磁波对PLC内部有直接的辐射，这种现象产生的原因是电路相互感应直接产生的干扰；其次电磁波对PLC通信网络的辐射，这种现象的产生则是由通信电路相互感应而引入的干扰。PLC系统的设备的摆放位置及各个设备能产生电磁场的强弱是造成辐射干扰的主要原因，尤其值得一提的是每个设备所产生电磁场的频率。目前，普遍的保护措施是将电缆和PLC系统的某些部分进行屏蔽，此外，也有对一些高压且容易泄露的元件进行一定程度的屏蔽。PLC系统受干扰方式如图1所示。
2.2系统本身不合理布局所产生的干扰
对PLC控制系统而言，各个设备不合理的选择及布局会对PLC控制系统的正常运行造成严重的干扰，甚至不恰当的现场施工也会导致严重的干扰现象。下面，我们将从三个方面阐述其干扰原理：
首先，供电电源所导致的干扰。正常情况下，电网为PLC系统供电，但由于电网的涉及面较广，电网本身也要受到大气层电磁场的干扰，并且会在电线路上产生感应电压。其中，电网自身一旦发生改变，如电网的开启或关闭、大型电力设备的启动与停止、交流电与直流电相互传动所引起的谐波以及电网短路等的冲击，都会对PLC控制系统造成严重干扰。理论条件下，PLC电源是绝对绝缘的，但实际操作中，受到各种客观因素的限制使得其绝缘性能不能达到理想状态，故绝对绝缘是不存在的。其次，各类信号传输线会对控制信号产生干扰。大多数情况下，PLC控制系统在传输各类有效信息的同时，由于受到各类信号采集线的影响，总会受到其他信号的干扰。这种干扰信号的产生主要包括两方面的因素：其一主要是由于供电电源的干扰，包括变送器和共用信号仪表的供电电源；其二是共模电压的形成对系统造成的干扰，这主要是由于信号线受大气层的电磁辐射所产生的信号干扰。此类干扰不仅会导致I/O信号工作中断，而且还会大大降低I/O信号的测量精确度，最后，还有可能损坏系统的元部件。对绝缘性能较差的PLC控制系统来说，这些干扰还将引起信号间的互相干扰，从而导致该系统总线产生回流，造成的直接影响就是逻辑数据发生改变，甚至整个系统会死机。
3、抗干扰的主要措施
为了保证PLC系统能够正常工作，相关工作人员在设计PLC系统时，会采取一些切实可行的措施，使得PLC系统避免遭受或者减少各种电磁干扰。具体实施主要有三个方面：其一是尽量控制干扰源；其二是对电磁干扰在传播过程中进行阻断或者减弱；其三，主要是使系统的配置更加合理以及增强其总体的抗干扰能力。
3.1设计具有较强抗干扰能力的电源
电源在PLC控制系统中具有举足轻重的地位，因此，在电源的选择上，应尽量选取电压变化不大、波形不易变错的电源。一般会采取一些改进PLC交流电源系统的措施，来增强其抗干扰的能力。主要措施有：首先，为了抑制电网的干扰，将绝缘变压器接在PLC电源的输入端，使得绝缘变压器直接向PLC输出、供电。其次，为了避免交流电源输入时产生的高频电流以及谐波，将低通滤波器接在PLC电源的输入端，如下图2所示。最后，目前普遍采用不间断电源（UPS）在线供电，这样不仅增强了系统的抗干扰能力，而且提高了系统的供电稳定性。此外，选择配电器时，应尽量选择电容分布较小、绝缘性能较好的变送器和共用信号仪表，从而使得PLC系统的抗干扰能力大大增强。
3.2设计减少电缆辐射干扰的措施
其一，如果是使用芯线比较多的信号电缆，则不能将I/O线和其它控制线共用一根电缆。其二，如果与其他电缆桥架或支架平行敷设时，则各个桥架以及支架之间必须保持至少300mm的距离。其三，若PLC控制系统的电源容量为400V、10A或220V、20A时，I/O线与电源线之间的距离必须大于300mm。此外，除设备连接点外，如果I/O线与电源线不可避免的敷设在同一电缆槽沟时，则必须采取相应的措施将二者屏蔽，通常使用的方法是用带接地的分隔板将它们隔离开来。其四，交流电流的输入/输出信号和直流电流输入/输出信号，不能使用同一根电缆，应分别使用各自电缆。其五，大于30m的长距离配线时，输入信号与输出信号应分别使用各自电缆。其六，各种晶体管的设备以及集成电路的输入/输出所用的信号线，一定要使用屏蔽电缆。屏蔽电缆接地的处理方法是一端接地，主要是集中在控制侧接地。最后，如果I/O信号线的模拟量比较长，则采用4～20mA电流信号，因为电流信号一般不会受到干扰。此外，应分别将模拟量信号和数字传输线分开布线，同时还要分别将屏蔽层与地相接，从而减少电缆辐射的干扰。
3.3滤波措施
滤波一般包括硬件滤波和软件滤波。主要采用的硬件滤波法有：
其一，为了减少共模干扰，需要在信号接入PLC之前，将电容并接在信号线和地之间。当然，也可以装一个滤波器在信号两极间，以弱化差模干扰。其二，对于PLC控制系统的重要元件，如电源变压器、中央处理器等，须进行屏蔽处理。通常使用的方法是选择导电性能和导磁性都好的材料，来避免外界信号的干扰。其三，及时校正电源和保护电源。电源一旦发生波动，将会产生错误的电压，从而严重影响对PLC和I/O的构件。一般来说，用多级滤波对CPU核心元件所需要+5V电源进行处理，并用集成电压调整器进行调整，来减少交流电网的在不断变动的过程中产生的电压过大或电压不足的影响。其四，隔离。在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地把他们隔离开来，以防外部的干扰信号或地线环路中产生的干扰信号通过公共线进入PLC系统，从而影响其正常工作。主要采用的软件滤波法有：其一，软件数字滤波法。该方法适用于较低讯噪比的模拟量。其二，最大值滤波法。该方法适用于存在随机干扰系统变化较大的情况，即连续采样数次，直至某次的采样值远远大于前面的采样值，那么就把这次的采样值去掉，采样也到此为止。其三，平均值滤波法。该方法适用于某下参数会在一定范围内经常波动的情况，比如压力、液面、位移等参数。与最大值滤波法不同的是，此方法使用所有采样次数n次的平均值作为最终值。n的取值一般为：流量n=12，压力n=4。最后，加权平均法。相关研究证明，这种方法对工频干扰的抑制远远超过单一积分器。
3.4接地点及接地系统的选择和完善
通常是为了安全起见，系统需要接地，而且接地也可以起到抑制干扰的作用。为避免PLC受到电磁干扰，设计恰当的接地系统是至关重要的。接地系统一般常用直接接地法即一点接地法。受信号电缆和输入装置滤波的影响，PLC输入信号与输出信号的更换频率必须小于1MHz，故接地线使用一点接地方式为最佳。集中布置的PLC系统适用于并联一点接地，分别用各自的接地线将每个配有PLC的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。特别需要注意的是，当信号源不接地时，输出信号的电缆屏蔽层必须在PLC侧接地，反之，屏蔽层在信号侧接地。此外，还需要注意的是各个信号线之间尽量不要有接头，如果有接头时，必须牢固连接电缆屏蔽层并且要进行绝缘处理。同时，如果测点信号多的地方的屏蔽层与多芯的屏蔽电缆连接时，各个屏蔽层之间必须做好绝缘处理，并且选择合适的地方进行单点接地。切忌两点或多点接地，因为各个接地点之间会产生电路耦合，对系统的正常工作带来严重的影响。
4、结语
本文通过简要阐述PLC控制系统面临的干扰因素，并重点探究了如何增强其抗干扰的能力、提高其稳定性的诸多措施。由于在实际操作中，对PLC控制系统的稳定性要求非常之高，故相关工作人员必须以最大限度减少干扰为原则，同时尽量简化其设备，不仅经济节约实用，而且为PLC控制系统的正常运行提供最坚实的保障。当然，我们在今后的研究过程中，不断研发新的抗干扰措施，为PLC控制系统的进一步发展应用做贡献。
参考文献
[1]艾莉，程加堂.PLC控制系统的电磁抗干扰技术研究[J].机械工程与自动化，2009（04）
[2]卞峰.PLC控制系统中的抗干扰分析及措施[J].价值工程，2011（12）
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