PLC的干扰来源和抗干扰技术有哪些？

可编程控制系统(PLC)由于设计和安装现场环境等因素影响，会受到干扰而发生故障，进而导致设备失控和误动作。要提高PLC的可靠性，除要求控制器制造厂提高设备性能外，更需要工程设计、安装施工和使用维护中重视并解决好干扰问题。台山发电有限公司在PLC应用中采取了一些抗干扰技术措施，经现场试验和改进，取得了较好的效果。
一、PLC的干扰及其来源
1.1 干扰源及分类
    影响PLC工作的干扰源(噪声源)大都产生在电流或者电压剧变场所。干扰类型通常按干扰产生的原因、干扰模式和波形性质的不同来划分:按干扰产生的原因不同分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;按干扰的波形、性质不同分为持续噪声、偶发噪声等;按干扰模式不同分为共模干扰和差模干扰。一般控制系统常用共模干扰和差模干扰进行分类。共模干扰是信号对地的电位差，主要由地电位差及空间的电磁辐射在信号线上的电压迭加而形成，这种共模干扰可分为直流、交流两种。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响反馈信号，造成元器件损坏(如I/0模板损坏等)。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，也可以由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制的精度。
1.2 干扰的来源及途径
    (1)辐射干扰 辐射干扰分布较复杂，常见的有控制和动力电缆混合敷设、电缆布置不规范等，其传播途径主要有:一是直接对PLC内部的辐射，由电路产生干扰;二是对通讯网络的辐射，由通讯线路的感应引起干扰。辐射干扰与现场设备的布置和环境有关，尤其对频率反应较敏感，一般通过屏蔽进行消除。
    (2)传导干扰 传导干扰主要通过电源和信号的接线引起，这种干扰在我国生产应用中较为普遍。
    (3)电源干扰   PLC供电取自电网，由于覆盖范围广，电网极易受到空间电磁干扰而在电路上产生感应电压。尽管PLC通常采用隔离电源，但是由于大量分布电容的存在，完全消除是不可能的，因此PLC仍会受到一定的电源干扰。
    (4)信号线干扰与PLC相连的硬接线，除了传输有效的各类信息外，也会成为干扰信号侵入的捷径。此类干扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用仪表的供电电源串入的电网干扰，这种干扰往往会被忽视;二是信号输入线的外部感应干扰，不但会引起I/O模块工作异常和测量精度大大降低，严重时还会引起元器件损坏，如I/O模板烧坏等。对于隔离性能较差的系统，还会导致信号相互干扰，造成逻辑数据变化，误动和死机，这是最常见的系统干扰故障现象。
    (5)来自接地系统的干扰 如果两个装置(如变频器布置在PLC旁边)没有电磁兼容性，则噪声发射源的噪声发射应减小或噪声接收器的抗干扰度应增大。噪声源通常是大功率电子装置，除去加装综合滤波器等技术手段外，利用良好的接地是解决干扰最省钱最普遍的办法。正确和良好的接地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备本身向外发射干扰;而错误的接地，则会产生严重的干扰信号，使控制系统无法正常工作。
    PLC的接地包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。当接地点向电位分布不均匀，电位差过大时，会引起环路电流，影响系统的正常工作。例如控制电缆的屏蔽层必须有 端接地，如果两端都接地，就存在电位差，屏蔽电缆将有环路电流通过，引起控制信号的异变，导致控制系统异常工作。
二、实际抗干扰技术的应用情况
2.1 干扰现象及处理措施
    Quantum PLC应用于电厂燃料堆卸场上的斗轮机系统，分别控制大车行走、皮带传动、回转、俯仰、斗轮传动等机构，实现煤料堆、取作业。国华粤电台山发电公司在投产初期，斗轮机因干扰发生过多次故障。
2.1.1 模板内部互相干扰
    尾车皮带在运行过程中，主接触器不时断开-吸合，造成电动机断续启停，当回转俯仰等机构同步动作时出现的次数更频繁。表面观察该输出模块工作正常(输出指示灯一直显示绿色平光)，但是经测量发现，输出时断时续，与电动机断续启停现象一致。进一步检查又发现该输出点隔离熔丝不符合规定(偏大)，内部元器件有受损伤迹象。由于模板内部元器件受损，导致性能下降(输出点时断时续)，当同一模板的其它输出点亦导通时，干扰该点输出可控硅的导通质量。对此，可更换模板、更换合格的输出隔离熔丝，将输出点接线重新合理敷设进行消除。
2.1.2 安装失误造成的干扰
    故障表现为斗轮机构不能正常运行，如不能启动或启动后自动停止(无故障报警提示)。由于该故障无报警提示，系统模板自诊断正常，程序检查正常，所以应重点考虑PLC干扰。经检查为通讯网络安装失误:一是通讯电缆两端接地，二是主站和远程站连接违反 Modicon TSX Quantum硬件手册的设计规定，错误使用分支器。在正确安装屏蔽层接线和纠正分支器的错误接法后，斗轮机运行有明显改善。
2.1.3 辐射干扰
    故障表现为:斗轮机运行中有若干机构停止运行，并报发大量故障信息。经过细致检查，可以排除外围设备的因素。该系统PLC通讯用的是同轴电缆传统连接。同轴电缆的优点是传输距离长，造价低，但是它对电缆敷设有较大依赖，抗干扰(辐射)能力相对较差，而I/O输入引线干扰现象又非常严重。通过在线观察，基本上每一个信号反馈点都对系统造成干扰。将通讯电缆重新正确敷设，并在干扰特别严重的I/O点增加(0.5～1.5)s的延时屏蔽时间(如图1)，运行证明这些临时措施非常有效。
         
2.2 消除干扰的改造措施
    斗轮机控制系统的设计和安装目前还存在几个隐性问题:一是PLC控制柜与变频器柜紧临布置，噪声干扰较大;二是斗轮机为轨道行走设备，其接地性能难以保证。另外，外围设备的质量也将影响输入型干扰的大小。
    从原设计(图2)可以看出，原设计方案存在明显的错误l)CRP93100与CRA93100同轴电缆屏蔽层双端接地;(2)无分支器连接;(3)Modbus Plus与SA85网卡连接无屏蔽接地;(4)Modbus与触摸屏连接无屏蔽接地。
         
    考虑到斗轮机电缆敷设的复杂性，改造方案里增加了通讯转换(光中继器)技术。通过光纤传输的优点来减少辐射干扰，但是仍保持原来的接地屏蔽接法(因为中间增加了中继器，原来的双端接地变为单端接地)。另外，Modbus Plus与SA85网卡、Modbus与触摸屏之间都增加了单端接屏蔽线设计(图3)。该改造方案的最大特点是不改变原设计的模板数量和种类，节约了改造经费，施工容易，调试方便，改造周期极短，对生产影响较小。
        
三、其它抗干扰技术
3.1 利用软件方法减少干扰
    由于电磁干扰的复杂性，要完全消除干扰影响是不可能的。因此，在PLC软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，如:增加时间延时屏蔽功能、数字滤波和工频整形采样(可有效消除周期性干扰)、定位校正(零)(可以消除干扰、偏差积累)。对于要求较高的控制系统，还可利用三选二等比较法提高安全系数;对于粗放型的控制系统，可采用间接跳转、软件陷阱、容错软件等技术提高可靠性。
3.2 优化接地性能，抑制干扰
    接地的目的一方面是为了安全，另一方面是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC电磁干扰的重要措施之一。另外也可在输入点与地间并接电容，抑制共模干扰的影响。
3.3 提高外围设备质量和安装质量，减少干扰
    在工程设计和改造时，应充分选用质量高的电气产品，消除因进水进尘等引起的接地、短路故障，减少共模干扰的影响。另外，还应重视工程的安装质量，避免动力电缆和控制(通讯)电缆混合敷设等错误，减少人为因素造成的干扰源。
3.4 运用隔离供电，隔离干扰
    PLC宜采用独立的隔离控制电源，不宜与检修、动力电源共用，这样既可以保证电源的纯净度，亦可以避免电源耦合的干扰。最佳方案是使用在线式不间断UPS电源供电。UPS具有较强的干扰隔离性能，将会提高PLC的安全和抗干扰性能。
四、结语
    PLC抗干扰，是一个十分复杂的技术问题，以上所讲的几种技术措施，经过若干试验和实践证明基本可以消除现场的干扰，不过在实际运用中还应综合考虑各方面的因素，具体分析，合理制定抗干扰技术措施，才能解决实际问题。