PLC和HMI人机界面干扰分析和对策

plc是一种新型的通用自动化控制装置，作为工业控制领域的核心控制器，随着工业设备自动化控制技术的发展，在工业设备控制中的应用越来越广泛。本文综合分析了PLC控制器和hmi人机界面现场应用时的干扰来源和干扰的途径，提出消除或减少干扰源、合理接地、消除空间辐射干扰等抑制干扰、利用软件保证控制系统稳定运行的对策。采取必要的抗干扰措施，保证PLC、HMI人机界面的可靠性。
一、PLC、HMI人机界面的电磁干扰的类型
　　影响可编程控制器、人机界面HMI的干扰源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波形性质来划分。按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，可分为持续噪声、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电压迭加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，影响测控信号，造成元器件损坏。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，这种干扰叠加在信号上，直接影响控制精度。
二、PLC、HMI人机界面的电磁干扰的主要来源和途径
1、来自空间的辐射对可编程控制器、HMI人机界面的干扰。
　　空间辐射电磁场主要来自现场动力线路、电气设备的暂态过程、雷电、无线信号、高频感应加热设备等，与现场设备布置及设备所产生的电磁场有关。可编程控制器、HMI受到的辐射干扰，主要通过两条路径：一是对通信网络的辐射，由通信线路感应引入干扰；二是直接对可编程控制器、HMI内部的辐射，由电路感应产生干扰。
2、来自电源的传导对PLC控制器的干扰
PLC控制器电源通常采用隔离电源，但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性并不理想。实践中，因电源引入的干扰造成PLC控制器故障的情况很多。
PLC控制器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流，尤其是电网内部的变化、大型设备起停、开关操作浪涌、短路电流冲击、交直流传动装置引起的谐波等，都通过输电线路传到电源原边，产生干扰。主要通过两条路径：一是通过PLC控制器供电电源引入的干扰；二是通过变送器电源或共用信号仪表的供电电源引入的干扰。
3、来自信号线引入的传导对可编程控制器的干扰
　 与可编程控制器连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信号之外，还会受到外部干扰信号侵入。由信号引入的干扰会引起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。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；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。对于隔离、屏蔽性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，严重时造成系统误动和死机。
4、来自接地系统传导对PLC控制器的干扰。
　　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控制器无法正常工作。（http://www.ippipp.com/版权所有） PLC控制器的接地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，接地系统混乱对PLC控制器的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，地环电流作用于PLC控制器，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层。
此外，屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路，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控制器内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC控制器工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC控制器的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、死机。模拟地电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。
5、来自PLC、人机界面内部的干扰。
主要由可编程控制器、人机界面内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如元器件间的相互不匹配使用、逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响等。这都属于国产PLC、人机界面制造厂家的设计问题，应用部门虽然无法改变，但选择时要多加考证、比较。
三、PLC、人机界面抗干扰对策
进行具体工程的抗干扰设计时，要选择有较高抗干扰能力的产品，采取抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径和利用软件手段等措施，提高装置和系统的抗干扰能力。
1、采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰。
对于PLC控制器供电的电源，应采用非动力线路供电，直接从低压配电室的主母线上采用专用线供电。选用隔离变压器，且变压器容量应比实际需要大1.2～1.5倍左右，还可在隔离变压器前加入滤波器。对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、采用多次隔离和屏蔽及漏感技术的配电器。控制器和I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电路电源分开。PLC控制器的24V直流电源尽量不要给外围的各类传感器供电,以减少外围传感器内部或供电线路短路故障对PLC控制器的干扰。此外，为保证电网馈电不中断，可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电，UPS具备过压、欠压保护功能、软件监控、与电网隔离等功能，可提高供电的安全可靠性。对于一些重要的设备，交流供电电路可采用双路供电系统。
2、正确选择电缆的和实施敷设，消除可编程控制器、人机界面的空间辐射干扰。
不同类型的信号分别由不同电缆传输，采用远离技术，信号电缆按传输信号种类分层敷设，相同类型的信号线采用双绞方式。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，增大电缆之间的夹角，以减少电磁干扰。为了减少动力电缆尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁干扰，从干扰途径上阻隔干扰的侵入，要采用屏蔽电力电缆。
3、PLC控制器输入输出通道的抗干扰措施
输入模块的滤波可以降低输入信号的线间的差模干扰。为了降低输入信号与大地间的共模干扰，PLC控制器要良好接地。输入端有感性负载时，对于交流输入信号，可在负载两端并接电容和电阻，对于直流输入信号可并接续流二极管。为了抑制输入信号线间的寄生电容、与其他线间的寄生电容或耦合所产生的感应电动势，可采用RC浪涌吸收器。
输出为交流感性负载，可在负载两端并联RC浪涌吸收器；若为直流负载，可并联续流二极管，也要尽可能靠近负载。对于开关量输出的场合，可以采用浪涌吸收器或晶闸管输出模块。另外，采用输出点串接中间继电器或光电耦合措施，可防止PLC控制器输出点直接接入电气控制回路，在电气上完全隔离。
4、PLC控制器抗干扰的软件措施
由于电磁干扰的复杂性，仅采取硬件抗干扰措施是不够的，要用PLC控制器的软件抗干扰技术来加以配合,进一步提高系统的可靠性。采用数字滤波和工频整形采样、定时校正参考点电位等措施，有效消除周期性干扰、防止电位漂移。采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件保护等。例如对开关量输入信号，采用定时器延时的方式多次读入，结果一致再确认有效， 提高了软件的可靠性。
5、正确选择接地点，完善接地系统。
良好的接地是保证PLC控制器可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害，还可以抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制器抗电磁干扰的重要措施之一。
　　PLC控制器属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC控制器接上专用地线，接地点应与动力设备的接地点分开。若达不到这种要求，也必须做到与其他设备公共接地，禁止与其他设备串联接地。接地点应尽可能靠近PLC控制器。集中布置的PLC控制器适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。分散布置的PLC控制器，应采用串联一点接地方式。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC控制器接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；信号源不接地时，应在PLC控制器侧接地。信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，各屏蔽层应相互连接好。选择适当的接地处单点接地，要避免多点接地。
6、设备选型。
在选择设备时，首先要了解国产PLC生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等，要选择有较高抗干扰能力的产品，如采用浮地技术、隔离性能好的可编程控制器、人机界面HMI。
可编程控制器、人机界面现场应用时的抗干扰问题，是复杂而细致的。抗干扰性设计是一个十分复杂的系统性工程，涉及到具体的输入输出设备和工业现场的具体环境，要求我们要综合考虑各方面的因素，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，充分利用各种抗干扰措施来进行可编程控制器、人机界面的设计。才能真正提高可编程控制器、人机界面HMI现场应用时的抗干扰能力，确保系统安全稳定运行。