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电气工程及其自动化论文PLC控制系统的干扰及抗干扰措施

PLC控制系统的干扰及抗干扰措施

摘要

近些年来，在自动化控制技术良好发展形势的带动下，各领域生产运用也逐渐实现了与自动控制系统的有机结合。

PLC控制系统作为自动化控制代表性技术，伴随着不断地创新与发展，已经逐渐被各个领域发展所认识和应用。

然而实践应用中发现，PLC控制系统很容易受到外界因素的干扰，这样就对PLC技术的效能发挥产生几点打地影响。

由此，本文展开了PLC控制技术与抗干扰措施的探讨，希望能够突显PLC系统的使用特点的同时，能够更好地避免外界所带来的干扰行为，进而促使PLC控制系统得到更高效的利用。

关键词：

PLC系统；干扰；抗干扰；措施

一、PLC控制系统的叙述

（一）PLC控制系统的概念

随着这几年经济和科技的不断发展，计算机技术和网络技术发展空间非常大，从而带动了智能系统和微电子技术的衍生。

信息化时代的来临给人们社会生活都带了很大的便利，PLC控制系统的出现在社会的各个方面成为不可或缺的一部分。

PLC控制系统实际上是一种可进行编程的逻辑控制器。

它可以实现多种复杂的操作。

PLC控制系统最早出现在20世纪60年代的美国，它主要是为工业发展出现的，随着工业发展的逐渐完善，成为社会发展的主流，PLC控制系统开始飞速发展，应用在社会的各个环节和领域。

（二）PLC控制系统

是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的远程控制系统。

具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

（三）PLC硬件构成

1.电源组件

电源组件用于提供PLC运行所需的电源，可将外部电源转换为供PLC内部与案件适用的电源。

2.微处理器CPU及存储器组件

微处理器CPU是PLC的核心器件，CPU因生产厂商各有不同，有采用市场销售的标准芯片，也有采用可编程序控制器专用芯片。

存储器组件有两种：

ROM和RAM。

3.输入及输出组件

输入和输出组件是PLC与工业生产现场交换数据的界面，与普通计算机不同，PLC的工作环境比较差，需要较强抗干扰能力，输入和输出组件既是为此设计。

二、PLC控制系统的特点

研究发现，PLC控制系统在工业领域中广泛的应用，主要源于PLC控制系统同有自身的有事，经过分析，PLC控制系统突出的特点有3个方面。

（一）稳定性强

PLC控制系统的稳定性将会与企业效益有着密切联系，而在实际应用中，正是因为PLC控制系统具有很强的各项性能，进而使得PLC控制系统整体稳定性提高，这也是作为PLC控制系统在工业生产中可靠运行的基础保障。

PLC系统的稳定性主要体现在两个方面：

一方面，为了避免外界因素造成的干扰，PLC控制系统中加入了光电隔离的抗干扰方法，这种方法可以在PLC控制系统正常运转的情况下，使PLC控制系统的运行时间大大延长；另一方面，PLC系统内部装置进行了特殊防护处理，既可以实现降低干扰的效果，同时通过加装的定时装置，又能在PLC控制系统发生故障时，及时进行预警和防护，避免由于故障问题给PLC控制系统造成更大的伤害。

（二）易于操作

模块设计是PLC变成设计的核心理念，通过模块设计，企业可以设置满足自身情况的操作流程、内容等PLC控制体系，赋予了PLC控制系统极强的适应性能，可以借此特点来满足不同企业的生产需求。

另外，梯形图是PLC控制系统编程语言的表达形式，这种表达形式与电气控制线路图极为相似，具有便于观察，容易理解、原理简单等特点，因而只要经过简单的培训和讲解，大部分技术人员都能轻而易举地做到根据编程语言对PLC控制系统实施熟练、准确的操作。

（三）具有极高的适应能力

在工业领域应用中，PLC控制系统不仅要面对着复杂的工作环境，而且电磁告饶问题也成为了PLC控制系统运行所面临的巨大挑战。

因此，也就对PLC控制系统的各种性能提出了更为苛刻的发展要求，比如说抗噪音能力、抗粉尘能力等抗干扰能力。

而PLC控制系统针对外界干扰进行了各项能力的加强设计，尤其是在制造技术上采用的世界最为先进的微电子设计技术，不仅在制造工艺上进行了优化，更使系统的各项性能得到了很大的提高。

三、PLC控制系统的干扰源

（一）干扰源及干扰一般分类

PLC在运行期间发生剧烈变化，损害有用信号，进一步导致出现电磁能量和电磁现象，即干扰源。

通常情况下可以按照干扰原因，噪声波形性质和模式等将干扰类型进行分类。

若根据噪声波形性质可以将其分为偶发性和持续性；若按照干扰模式可分为共模和差模两种形式。

共模干扰是由空间电磁辐射等在信号线上出现叠加导致的。

共模电压的存在状态不一致，如果供电室具有较差的隔离性，会相应提升共模电压，可以超过130V。

影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。

干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。

其中按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频震荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。

共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。

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在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。

共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。

共模电压通过不堆成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（一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。

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耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

（二）PLC控制系统中电磁干扰的主要来源

1.来自空间的辐射干扰

主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。

这种干扰在我国工业现场较为严重。

（1）来自电源的干扰

实践证明，因电源引入的干扰造PLC控制系统故障的情况很多。

PLC系统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而在线路上感应电压和电路。

尤其是电网内部的变化，开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置一期的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源。

PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。

实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。

（2）来自信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号入侵。

此干扰主要有两种途径：

一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。

由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。

对于隔离性能差的系统，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、误动作和死机。

PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。

（3）来自接地系统混乱时的干扰

接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一。

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；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

PLC控制系统的地线包括系统接地、屏蔽地、交流地和保护地等。

接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点点位分布不均，不同接地点间存在地点位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。

例如电缆屏蔽成必须一点接地，若果电缆屏蔽城两端都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。

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，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。

若系统地与其它接地处理混乱，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内逻辑电路和模拟电路的正常工作。

PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地点位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存储，造成数据混乱、程序跑飞或死机。

模拟地点位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。

（4）来自PLC系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地相互影响及元器件间的相互不匹配等。

这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不必多考虑，但要选择具有较多应用实际或经过考验的系统。

四、PLC控制系统的抗干扰措施

为了保证PLC控制系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从三个方面的措施：

抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。

这三电就是抑制电磁干扰的基本原则。

PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具体情况进行综合设计应用，才能保证系统的电磁兼容性和运行的可靠性。

（一）PLC电力系统的抗干扰控制

（1）采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰

在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。

电网干扰串入PLC控制系统主要通过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的。

现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能比较好的电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了移动的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入工模干扰、差模干扰。

所以，对于变送器和共用引号仪表供电应选择分布电容小、抑制性好（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。

在电力系统中装设抗干扰装置，比如滤波器，通过滤波器能够最大程度抵抗来自设备自身对电源产生的干扰，与此同时，面对较为恶劣的工作环境，通常会将滤波器与隔离变压器配合使用，这样不仅可以对设备产生的尖峰电压进行处理，而且对环境也起到了一定的净化效果.

另外，装设隔离电源，隔离电源在抗干扰性能上要远超于PLC供电电源保护，但从隔离电源的内部结构却阻碍了其抗干扰能力的发挥。

在实际PLC电力系统抗干扰措施应用中，会将隔离变压器安装在PLC电源的输入端，这样就实现了隔离电源与PLC供电电源联合抗干扰的效果。

为保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。

并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。

（2）电缆的选择和敷设。

为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆，应采用铜带铠装屏蔽电力电缆。

不同类型的信号分别由不同电缆传输，限号电缆应按传输信号种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。

（二）PLC系统硬件的抗干扰控制

PLC系统硬件的抗干扰控制主要取决于PLC系统硬件的抗干扰能力，那么在硬件选择上就要符合一定的要求。

1.要从系统硬件自身角度出发，只有具备良好的抗干扰能力，才能在PLC系统运行中发挥出更大的作用，尤其是面对复杂的外界干扰因素，这就对系统硬件的外部抗干扰能力提出更高的要求。

2.对系统硬件的各项指标的审核也是衡量系统硬件抗干扰能力的管件性内容，只有保证系统硬件的抗干扰指标达到正常环境下的抗干扰标准，系统硬件才能在干扰环境下更加高效、准确的运行，常见的抗干扰指标有共模抑制比、差模抑制比等。

3.要时刻对系统硬件在运行中的状况进行检测、了解、记录和掌握，特别是系统中添加了对国外系统硬件的使用后，由于与国外进口系统硬件相比，中国在生产标准上某些方面都要高于国外标准，尤其是系统硬件内阻电网发生漂移现象，此时PLC控制系统就将受到较强的电磁冲击，对系统稳定运行造成伤害。

这就要求对系统硬件选择时，无论是国内还是国外都要严格按照过程标准去执行。

（三）PLC系统软件的抗干扰控制

通过对PLC系统抗干扰措施的实施效果观察来看，可以得出仅仅依靠系统硬件来对PLC控制系统进行保护和防范，尽管受到了一定的成效，但是要想维持系统在抗干扰环境下的正常运行，硬件系统抗干扰能力是远远不够的，还需要系统软件抗干扰能力的融合，进而使PLC控制系统的整体抗干扰性能得到很大得提升。

（1）利用“看门狗”等方法对系统的运行状态进行监控

为了保持系统运行的正常状态，再加上PLC控制系统设备和元件功能实现的特殊性，这就需要通过软件的设计实现对设备错误信号的足联和监测，进而达到信号有效传达的目的，常见的软件系统监控手段有“看门狗”“电子眼”等。

在PLC的内部有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用他们来设计一些程序，可以屏蔽输入元件的错误信号，防止输出元件的误动作。

例如用PLC控制某一运动部件时，编程时可定义一个定时器做“看门狗”用，对运动部件的工作状态进行监控，定时器的设定值为部件运动所需要的最大可能时间，在发出该部件的运动指令时，同时启动“看门狗”定时器，若运动部件在规定时间内达到指定位置，发出一个动作完成信号，使定时器清零，说明监控对象工作正常，否则说明监控对象不正常，发出警报或停止工作信号。

（2）采用消抖的方式进行判断

PLC系统的行程按钮和行程开关在运行的过程中，很可能会在震动诱导下发出错误指令，影响系统地判断与操作。

为了消除错误信号，一般会根据振动时间的长短利用计时器产生的延迟，起到对错误信号消抖的作用，这也是软件系统抗干扰措施中常用的抗干扰方法。

（3）用数字滤波的方式提高输入信号的信噪比

常用数字滤波器提高信号的信噪比，来提高有用信号的真实性。

对于有大幅度随机干扰的系统，采用程序限幅法，即连续采样五次，若某一个采样值远远大于其他几次的采样值，那么就舍弃。

对于流量、压力、液面、位移等参数，往往会在一定范围内频繁波动，则采用算术平均法，即采用多次的平均值代替当前值。

对于缓慢变化限号如温度参数，可连续采样三次，选取居中的采样信号作为有效信号。

五、工业应用

DCS和PLC在工业自动化发展中具有极其重要的作用，在各行业均得到了有效的发展，具有极大的现代化意义，目前，两项技术都已经成为工业控制中极为重要的系统组成。

使用DCS实现工业控制，可以使整个工业车间都可以实现统一配置，可以有效促进管理一体化，实现更为有效的自动化管理，在我国目前发展中，火力发电厂在实现车间控制时，均使用DCS实现应用，在进行全厂控制的集中性具有极大的可行性，不会出现技术问题，对其发展造成干扰。

系统具有更高的可行性，具有更为强大的功能性，更好的开放性，可以使车间控制的可心个性大大提高，性价比也比较高，基于此，DCS在电厂发展中得到了极大的应用。

在我国工业建设发展中，PLC和DCS呈现出相互融合的发展方向。

1.PLC技术在实现应用时，控制模拟量具有较差的应用效果，同时其所具有的网络功能也比较差，而且不能实现人机交互，为了使其得到更大的发展，弥补其应用中的缺陷，需要对其软件设计不断强化，实现功能发展的提升，希望其可以早日实现发展，在控制领域逐渐得到更为普遍的应用。

2.DCS功能性得到了向下的发展，对PLC系统的顺序控制进行覆盖，但是受到系统设计的限制，在系统运行的实时性，冗余技术以及系统网络能力，DCS技术远远优于PLC。

使用DCS实现车间控制的辅助时，系统的安全性更高，可以实现更为有效的系统控制，同时面对突发事件可以实现更为及时的处理，可以实现更为可靠的信息处理，具有一定的记忆性，可以实现更大范围的联网控制，最后，在实现维修作业时，所需的成本也得到一定程度的降低，经济效益大大提升，具有极大的发展价值。

在实现工业生产的远程控制中，DCS技术也得到了极大的发展，具有更好的应用效果，使工业发展中提出的减人增效得到很大程度的实现。

利用DCS将PLC技术代替，可以使系统的性能得到极大的提升，原本无法实现的部分操作也得到了极大的发展，具有更为合理的操作界面，可以实现多项复杂的算法控制，使工业控制更为有效，使系统的稳定性大大提升，同时也促进其经济发展，具有极大的现实意义，促进了行业的进一步发展。

六、结语

随着PLC的应用越来越广泛，PLC控制系统也越来越复杂，需要克服的干扰也逐渐增多，PLC的抗干扰能力已经成为整个系统可靠运行的关键环节之一。

结合实际应用，找出可能的干扰源，综合考虑各个方面的因素，同时利用硬件、软件等多种抗干扰措施，采取有针对性的抗干扰技术，有效改善了PLC系统性能，增强系统的抗干扰能力，大大降低了PLC的故障率，确保PLC系统长期稳定、高效、安全地运行，取得良好的经济效益。

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