PLC系统工业现场应用时的干扰分析及对策

: mayor

2006-12-10

前言
　　PLC在工业控制中的应用越来越广泛，虽然PLC产品本身的可靠性已近乎完善，但因工业现场环境恶劣，电磁设备集中，直接或间接地对PLC控制系统产生干扰，PLC故障时有发生。因此必须对现场的干扰情况进行分析，采取相应的措施，确保PLC工控系统安全稳定运行。
2 干扰来源及干扰途径
2.1 干扰来源
　　（1）来自电源的干扰。主要包括两部分：通过PLC供电电源引入的干扰；通过变送器电源或共用信号仪表的供电电源引入的干扰。PLC系统应用的电源总是跟整个电网联接在一起，而电网的覆盖范围非常广泛，电网内开关操作浪涌、电气设备起停频繁、整流变频设备引起的谐波、短路电流冲击等，都会通过输电线路传到PLC电源的原边，形成干扰。
　　（2）来自空间的辐射干扰。工业现场密布的动力线路、电气设备的暂态过程、雷电、无线信号、高频感应加热设备等，都会产生空间辐射电磁场[1]，PLC系统若处于其中，就会受到辐射干扰。一是对PLC内部的辐射、通过PLC电路感应产生干扰，二是对PLC外部信号传输线路的辐射，通过信号传输引入干扰。
　　（3）来自接地系统的干扰。通常将接地点的电位认为是零电位，而实际情况并非如此，因为接地导体与大地相接总是存在一定的接地电阻。当电流流经该导体进入大地时，在接地点就形成了一定的电位，不同电位的接地点连接在一起时就形成了地环电流，地环电流作用于PLC系统，形成干扰。地环电流是一种共模形式的干扰，对系统的干扰是同方向的。
2.2 干扰途径
　　（1）线路传导：包括电源引入、接地引入。这几种干扰都是直接通过线路引入系统的，在系统内产生干扰电压或电流。
　　（2）电场耦合：造成电场耦合的原因是两根导线之间分布电容的存在，见图1。

　　导线1在导线2上产生的对地干扰电压为：

式中 VN —导线2的对地电压；
　　      ω—导线1的角频率；
   　      C12—导线1和2之间的分布电容；
　      　V1—导线1的电压；
　      　R—导线2的对地负载总电阻；
       　　C2G—导线2的对地总电容（C2G >> C12）。
　　（3）磁场耦合：磁场耦合产生干扰的情况见图2。

　　回路1的磁场在回路2上产生的干扰电压为：
　　VN=jωBAcosθ
式中 VN—回路1在回路2上产生的干扰电压；
      　　ω—回路1的磁场角频率；
　     　B—回路1在回路2处的磁通密度；
　     　A—回路2的磁感应面积；
　     　θ—矢量B与A的夹角。
3 抑制或消除干扰的措施
3.1 消除或减少电源等干扰源
　　（1）采用非动力线路供电，避开现场动力线路，将现场电气设备的起停开关等对电源的影响排除在系统之外，减少干扰源。
　　（2）用UPS不间断电源供电。随着技术的进步，目前UPS除了不间断供电之外，还具备过压、欠压保护功能、软件监控、与电网隔离等功能，可以削弱干扰源，是一种简单而有效地选择。
　　（3）采用新型高效电子器件TVS。TVS是一种特殊的稳压二极管，当它的两端承受电网尖峰脉冲冲击时，它能以极快的速度将两端间的阻抗值由高阻抗降至低阻抗，从而保持其两端电压在一个预定的数值上，切断干扰源。对于变送器电源和信号仪表的供电，应采用分布电容小、抑制带大的配电器，减少带给PLC系统的干扰。

3.2 合理接地消除接地引入的干扰
　　主要是采取合理的接地方法，采用一点接地避免形成地环流，消除干扰源。在一点接地的基础上，采用并联接地（见图3）。避免串联一点接地（如图4）。并联一点接地可以有效地降低公共地线阻抗的耦合干扰，削弱干扰源。

　　屏蔽层也存在一个接地处理的问题，信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；信号源不接地，屏蔽层在PLC端接地。
　　对于通信网络接口引入的接地干扰，接口可采用RS422A或RS485，它采用的是差动平衡和接收电路，由于采用差动放大器的原因，对于共模形式的地环流干扰起到了很好的抑制作用。
3.3 消除空间辐射干扰
　　（1）电场耦合时，根据公式（1）可知，若要VN减小，应使C12、V1、R减小，C2G增大。也就是减少两根导线之间的分布电容、干扰导线1的电压、导线2的对地负载总电阻；增大导线2的对地分布电容。其中最具可操作性的就是减少两根导线之间的分布电容，也就是采用远离技术，从干扰途径上阻隔干扰的侵入。不同类型的信号分别由不同的电缆传输，按电缆传输信号种类分层敷设，PLC信号电缆远离动力电缆，避免强信号对弱信号的干扰。
　　（2）磁场耦合时，由公式（2）可知，若要VN减小，应减少B、A，在0～90°范围内增大，信号电缆远离动力电缆以减小干扰磁场的强度B，相同类型的信号线采用双绞方式，相邻绞扭的矢量感应面积大小相等、方向相反，可抵消磁场的干扰。避免平行走线，增大电缆之间的夹角，也可从干扰途径上阻隔干扰的侵入。
　　实践证明，对于空间辐射干扰，同时采取上述措施，对于降低电磁场辐射干扰可以收到很好的效果。
4 结语
　　PLC系统现场应用时的抗干扰问题，是复杂而细致的，必须根据现场的实际情况，从减少干扰源、切断干扰途径等方面进行全面的考虑，同时采取相应抗干扰措施，才能真正提高PLC系统现场应用时的抗干扰能力，确保系统安全稳定运行。

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