抗干擾設計方案在PLC控制系統中的應用

可編程序控制器（Programmable logic controller）簡稱PLC是20世紀60年代末發展起來的一種新型工業控制裝置。由于PLC具有功能性強、編程簡單、可靠性高等優點，被廣泛應用于各類生產機械和生產過程的自動化控制中。PLC控制系統的可靠性直接影響到工業的安全生產和經濟效益，系統的抗干擾能力是整個系統可靠運行的關鍵。由于PLC是以集成電路為基本單元的電子裝置，內部處理過程不依賴機械觸點，它的硬件和軟件在設計中都采用一系列的隔離和抗干擾技術，即使在惡劣的環境中PLC仍能穩定工作，但是，如果PLC控制系統外界和內部的干擾過于強烈，就會影響到整機的可靠運行，所以充分考慮PLC系統的抗干擾設計，并在外圍電路的設計和系統的安裝過程中采取相應的抗干擾設計方案，才能確保整個系統可靠工作。下面就PLC控制系統中常見的干擾源以及如何采用相應的抗干擾設計方案進行較為詳細的探討。

一、PLC控制系統中常見的干擾源

一般而言，除有用信號以外，其他任何對系統有不良作用的噪聲信號，都歸于干擾之列，必須給予抑制或消除。造成PLC控制系統受干擾的原因是多方面的，根據其來源大致可以分為PLC系統內部干擾源、系統外引線干擾源和空間輻射干擾源三個方面。

1.系統內部干擾源

系統內部的干擾主要是由于PLC控制系統自身存在的噪聲與缺陷所引起，例如元器件性能變壞或失效，線路中存在的電容性元件引起的寄生振蕩，接插件接觸不良，焊接工藝差，軟件設計考慮不周而存在某種缺陷，調試過程中的疏忽大意以及線路故障等都將給運行中的PLC系統造成干擾。

2.系統外引線干擾源

系統外引線干擾源主要指來自PLC控制系統以外的電源和信號線的干擾，包括電源的干擾、來自信號線引入的干擾以及接地系統混亂時引起的干擾等。

（1）電源干擾。PLC系統的正常供電電源由電網提供，電網內部的變化，都通過輸電線路傳到PLC電源系統，如果電源性能不理想，系統就有可能無法正常工作。

（2）來自信號線引入的干擾。與PLC控制系統連接的各類信號傳輸線，總會有外部干擾信號侵入。由信號侵入干擾會引起I/O信號工作異常，大大降低測量精度，嚴重時損傷元器件，甚至造成邏輯數據變化、誤動作或死機。

（3）接地系統混亂時引起的干擾。接地是提高電子設備電磁兼容性的有效手段之一。接地系統混亂對PLC系統的干擾主要是各個接地點電位分布不均勻，不同接地點間存在電位差引起的環路電流影響系統正常工作。

3.空間輻射干擾源

空間輻射干擾主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生。其影響主要通過兩個途徑：一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾；二是對PLC通信網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。

二、PLC控制系統中有效的幾種抗干擾設計方案

1.電源電路的抗干擾設計方案

由供電線路引入的干擾和電源自身產生的干擾，是PLC控制系統的主要干擾源。完善電源電路的抗干擾措施，則解決了很大部分的干擾問題。

（1）采用交流穩壓器。PLC控制系統往往都在比較惡劣的用電環境中使用，如車間有大電機、電焊機、電弧爐等大用電設備頻繁啟動，車間供電電壓波動較大，瞬間下降較嚴重。為保證PLC供電系統不受其干擾，通常220V電源進線都要加裝交流穩壓器。而且要采用高性能的穩壓器，要求無自激現象，紋波盡可能小，因此應設法抑制穩壓電源內部可能出現的噪聲，使它既不能引入外來的干擾又保證自身不產生干擾。特別注意交流穩壓器容量大小的合理配置，要按實際考慮容量并留有一定余量。

（2）采用電源濾波器。采用電源濾波器是PLC控制系統中廣泛采用的抗干擾措施之一。經過反復測試在電源中如圖1連接是一種較為有效的抑制共模和串模干擾的電源濾波器。

其中，L1、L2、C1構成一個主要濾除串模干擾的濾波器；而L3、L4、C2、C3則主要用于抑制共模干擾。其中L1和L2可選用幾百mH，采用不易飽和的鐵心材料。L3和L4可用幾~幾十mH。電容通常選用高頻性能好，耐壓高的陶瓷或聚酯電容。C1選0.047~0.33μF，C2和C3一般選幾千pF。選用不同的電源濾波器的電感和電容的參數，可濾除不同頻段上的干擾。

（3）采用屏蔽隔離變壓器。為保證PLC供電系統不受干擾，在進入PLC控制系統之前的電源線路中加裝屏蔽隔離變壓器，且變壓器的容量應比實際大1.2～1.5倍左右。屏蔽隔離變壓器的次級側至PLC控制系統間必須采用大于2mm2的銅芯聚氯乙烯絕緣雙絞線。隔離變壓器的一次側和二次側間均應采用靜電屏蔽措施，在變壓器一次側和二次側間加屏蔽并接地，因此可以大大減小分布電容，從而消除線圈間的直接耦合。如果電源帶有嚴重干擾，應采用如圖2接法的三層屏蔽變壓器。雙層屏蔽的隔離變壓器只能夠抑制共頻干擾，三層屏蔽的變壓器還能抑制共模干擾。

（4）采用分離供電系統.。在PLC控制系統中，向I/O通道和其他設備供電的變壓器應與向PLC控制系統供電的變壓器分開，以抑制電網的干擾。也可采用UPS的供電系統和雙路供電系統，雙路電源最好引自不同的變電站。

綜合以上分析PLC控制系統電源電路的抗干擾設計方案如圖3所示

此外，供電系統的配線裝置也必須采取一些抗干擾措施，比如電源部分應盡可能安放在距電源引進入口較近的地方；從電源引進口，經過開關器件和低通濾波器，直到電源的配線盡量選用粗導線；電源后面的一段布線，均應采用扭絞線，扭絞的螺距要小，如果導線較粗，無法扭絞時，應把布線距離縮到最短程度；交流線、邏輯信號線、模擬信號線等均應分開布線。

2.接地系統的抗干擾設計方案

系統不正確的接地方法，會使系統的干擾大大增加，甚至使系統無法正常工作；正確的接地方法既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發出干擾電磁。接地系統混亂是對PLC控制系統產生干擾的重要原因，體現在各個接地點，點位分布不均，不同接地點存在地電位差，引起地環路電流，因此影響系統的正常工作。若系統地與其他接地系統處理混亂，所產生的地環流就可能在地線上產生不等電位分布，影響PLC內邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數據存貯。模擬地電位的分布干擾將導致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。

（1）PLC控制系統與電網的接地方式。在PLC控制系統與電網的接地方式中， 經過反復測試采用如圖4的接地方式具有較好的抗干擾效果。

圖4(a)為共地方式，PLC控制系統中電路的接地點、機殼與電網地線N和接地線B聯在一起，整個系統以大地為電位參考點，這種接地方式在大地電位比較穩定的場所，系統的電位也比較穩定，接地線路比較簡單，且因機殼接地，操作也較安全。若在大地電位變化較大的場所，系統的電位也隨之變化，電路將受到共模干擾，且容易轉變成串模干擾，此時應盡量減小接地電阻，也可以采用浮地方式。

圖4(b)是浮地方式，PLC控制系統中電路的接地點與機殼相聯浮空不接地，一般在機柜與地之間用絕緣膠墊隔開，交流進線也要加強絕緣，該方式可避免大地電位變化、地回路電磁感應造成的干擾，但因系統浮地，機殼容易積累靜電，操作不太安全。

圖4(c)是電網和機殼共地、電路浮地的方式，是上面兩種方式的折衷，因機殼的接地點與電網接地點連在一起，因此操作比較安全，電路的接地點是獨立的，避免受大地電位和接地回路的干擾。通常將電路和插件框架用絕緣支撐與外部機架、機殼隔開，保護電路部件與機殼的良好絕緣。電路的接地點接在插件框架背面專門設置的敷銅板上，自成接地系統。

（2）PLC控制系統與動力設備的接地方式。在PLC控制系統與動力設備的接地方式中，經過反復測試采用如圖５的接地方式具有較好的抗干擾效果。

圖5(a)為控制系統與其他動力設備單獨接地即專用接地；圖5(b)為控制系統與其他動力設備公共接地；見圖5(c)為控制系統與其他動力設備串聯接地即共通接地。其中單獨接地的方式最好，若不能每個設備都單獨接地，可使用公共接地方式，但PLC控制系統不允許與其他動力設備串聯接地，特別是應避免與電動機、變壓器、變頻調速器、制冷壓縮機等動力設備串聯接地。

PLC系統最好單獨接地，也可以與其他設備公共接地，但嚴禁與其他設備串聯接地。連接接地線時，一般應注意以下幾點；(1)PLC控制系統單獨接地；(2)PLC系統的接地端子是抗干擾的中性端子，應與接地端子連接，其正確接地可以有效消除電源系統的共模干擾；(3)PLC系統的接地線至少用20mm2的專用接地線，以防止產生感應電；(4)輸入/輸出信號電纜的屏蔽線應與接地端子端連接，且接地良好。

3.安裝與布線的抗干擾設計方案

在對PLC系統進行安裝和布線時，除了要按正常的操作規程進行外，還要考慮到周圍的工作環境。PLC系統所處的環境對其自身抗干擾也有一定得關系。

（1）安裝注意事項。第一，PLC系統周圍的環境溫度在0℃~55℃之間，空氣相對濕度小于85%，周圍沒有水的濺射，并且避免太陽光直射；

第二，濾波器、隔離變壓器應設在PLC控制柜電源進線口處，不讓干擾進入柜內，或盡量縮短進線距離；

第三，PLC控制柜應盡量遠離高壓柜、大動力設備和高頻設備；

第四，PLC控制柜應遠離繼電器之類的電磁線圈和容易產生電弧的觸點；

第五，整臺PLC要遠離發熱的電器設備或其他熱源，并放置在通風良好的位置上；

第六，周圍沒有過度的振動和沖擊，如果PLC安裝位置有強烈的振動源，系統的可靠性也會降低，周圍沒有腐蝕和易燃的氣體。

（2）布線注意事項。在敷設電纜時，應遵循以下幾項要求：

第一，將動力線、控制線、信號線嚴格分開，以防止它們之間的相互干擾；

第二，PLC的輸入線應盡可能遠離輸出線、高壓線及其他用電設備。開關量和模擬量的信號線也要分開敷設，敷設模擬量信號使用雙層屏蔽電纜時，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的十分之一；

第三，PLC的控制單元與擴展單元以及其他各功能模塊之間的連接電纜也應單獨敷設，以防外界信號的干擾；

第四，交流輸出線和直流輸出線不用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，且避免并行。

4.軟件抗干擾設計方案

軟件抗干擾技術所要考慮的因素有如下幾個方面：一是當干擾使運行程序發生混亂，導致程序失控或進入死循環時，采取使程序重新納入正軌的措施，如軟件冗余、軟件陷阱、看門狗等技術；二是采用軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號上的噪聲的影響，如數字濾波技術；三是一旦發現錯誤，能及時報告，有條件時可自動糾正，這就是錯誤的檢測和故障診斷。經過反復驗證在PLC控制系統中采用如下設計方案具有較好的抗干擾效果。

（1）開關量輸入的抗干擾設計。當控制器的輸入信號來自外部的開關量時，由于噪聲、干擾、誤動作等因素的影響導致程序判斷失誤，造成事故。當按鈕作為輸入信號時，則不可避免會產生抖動瞬間；當輸入信號來自繼電器觸點，有時會產生跳動，將會引起系統誤動作。為解決以上問題，可采用定時器延時來去掉抖動。因此，須在信

號輸入端設計去抖的梯形圖，如圖6所示，采用軟件延時30ms，在實際使用時，定時時間的長短，可根據觸點抖動情況和系統要求的響應速度而定，在這個時間上作調整，這樣可保證觸點確實穩定閉合（或斷開）后才執行。

（2）模擬量輸入的抗干擾設計。當控制器的輸入信號為模擬信號時，常采用軟件數字濾波來提高有用信號的可靠性。常用的濾波方法主要有程序判斷濾波、中值濾波、滑動平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算數平均值濾波、去極值平均值濾波等。比如對于一些有大幅度隨機干擾的系統，應采用程序限幅濾波法，即連續采樣多次，若某一次采樣值遠遠大于其它幾次采樣的幅值，表明是干擾信號，應去掉。對于流量、壓力、液面、位移等變化較大的參數，往往會在一定范圍內頻繁波動，應采用算術平均值濾波法。即用n次采樣的平均值來代替當前值。一般情況下：流量n= 12，壓力n=4最合適。對于緩慢變化的信號如溫度參數，可連續3次采樣，選取居中的采樣值作為有效信號。對于具有積分器A/D轉換而言，采樣時間應取工頻周期(20ms)的整數倍。實踐證明其抑制工頻干擾能力超過單純積分器的效果。n=3時的采樣輸入梯形圖如圖7所示，輸入特殊功能模塊為FX-4AD，其模塊編號為0，M0產生周期為T的脈沖信號(T為采樣周期，它等于定時器T0定時時間的2倍)。采樣結果送D0，每隔T時間采樣一次，并把采樣值順序送D10、D11、D12保存，取D10、D11、D12中三個值的平均值當作模擬量的輸入值，并送D20保存。

（3）系統故障的自診斷設計。實踐表明，控制系統的輸入、輸出元件，如限位開關、電磁閥、接觸器等故障率遠遠高于控制器的本身故障率，而這些元件出現故障后，控制器一般不會覺察出來，不會立即停機，可能會使故障進一步擴大，隨之會發生多個故障，直至強電保護裝置動作后停機，有時甚至會造成設備和人身事故，停機后，查找故障也要花費很多時間，為了方便查找故障，提高維修率，可用梯形圖程序實現故障的自診斷。

在系統正常運行時，控制器的有些輸入、輸出信號相互之間存在著確定的關系。因此，根據輸出信號的狀態與控制過程之間的邏輯關系，判斷設備運行是否正常。例如，某機械設備的兩個限位開關與輸出信號之間的約束關系為：（X0，X1’，Y0，Y1’）；（X0’，X1，Y0’，Y1）。用M0，M1表示合法狀態，Y10為報警輸出。如圖8用邏輯組合判斷法實現的系統自診斷。

機械設備在各工步的動作所需的時間一般是不變，即使變化也不會太大。因此，可以以這些時間為參考，當控制器發出控制信號，相應的執行機構動作，同時啟動一個定時器，定時器的設定值比正常情況下該動作的持續時間長20%，若時間到，但控制器并沒有收到執行機構動作結束信號，則啟動報警。例如X0為機床動力頭啟動信號輸入端，X1為機床動力頭終點行程開關輸入端，假設正常情況下，運行10s后到達終點，Y0為動力頭輸出，Y10為報警輸出。圖9是用超時判斷法實現的系統自診斷。

三、結束語

總之，PLC控制系統的抗干擾設計在系統設計中占有重要地位，在實際設計中只有根據系統的具體特點和環境的具體要求，靈活地選擇行之有效的抗干擾設計方法，才能從整體上提高系統的抗干擾能力，保證系統運行可靠。

（作者單位：廣東省粵東高級技工學校）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文