PLC控制解决工业环境现场信号干扰的基本方法

1. 概述

随着科技的发展，PLC在工业控制中的应用日益广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响着工业企业的安全生产和经济运行，而系统的抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。自动化系统中使用的各类PLC大多安装在控制室、现场生产设备以及各种电机设备中，大多处于强电电路和设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统的可靠性，设计人员只有提前了解各种干扰，才能有效地保证系统的可靠运行。

2.电磁干扰源及其对系统的干扰

PLC控制系统所受的干扰与一般工控设备所受的干扰类似，多发生在电流或电压剧烈变化的地方，也就是电荷运动剧烈的地方，这些地方就是噪声源，也就是干扰源。

干扰的种类通常根据干扰产生的原因、噪声的干扰模式和噪声的波形特性进行分类。其中：根据噪声产生的原因不同，分为放电噪声、偶发噪声等；根据噪声的干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰，差模干扰是常用的分类方法。共模干扰是信号与地之间的电位差，主要由电网串联、地电位差以及空间电磁辐射在信号线上感应出的共模电压形成。共模电压有时很大，特别是在隔离性能差的电气供电室中，变送器输出信号的共模电压一般较高，有的甚至可达130V以上。共模电压可以通过不对称电路转换成共模电压，直接影响被测和控制信号，造成元件损坏。这种共模干扰可以是直流的，也可以是交流的。共模干扰是指信号电平之间的干扰电压，主要由信号间空间电磁场的耦合感应以及共模干扰在不平衡电路中转换形成的电压形成。这种干扰直接叠加在信号上，直接影响测控精度。

3、PLC控制系统中电磁干扰源主要有哪些？

来自太空的辐射干扰

空间辐射的电磁场主要来源于电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等，通常称为辐射干扰。此类干扰的分布极其复杂。如果PLC系统置于规定的频率场内，就会受到辐射干扰的影响。这种影响主要通过两种途径产生：一是直接辐射到PLC内部元器件，由电路感应产生并造成干扰；二是辐射到PLC内部的通信网络，由通信线路的感应和高压抑制器的泄放引入。辐射干扰的大小与现场设备产生的电磁场大小有关，尤其与频率有关。防护通常通过设置屏蔽电缆、PLC的局部屏蔽以及高压泄放元件来实现。

2）系统外部引线干扰

它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极为严重。

3）电源干扰

实践证明，控制系统故障由电源干扰引起的情况很多，工程调试中也遇到过这种情况，只有更换PLC电源为隔离性能更好的电源后，问题才能解决。

PLC系统的正常供电全部由电网提供。由于电网覆盖范围广，会受到各种空间电磁干扰以及线路上感应电压和电路的影响，特别是电网本身的变化、开关操作引起的浪涌电流、大型用电设备、交直流转换装置启停产生的谐波、电网短路的暂态冲击等，这些都会通过电网线路传导至PLC的供电侧。PLC电源通常采用隔离电源，但由于其结构和制造工艺等因素，隔离性能并不理想。事实上，由于分布参数，特别是分布电容的存在，绝对的隔离是不可能的。

4）接地系统紊乱时引入的干扰

PLC控制系统连接的各种信号传输线，除了传输有效信号外，还会时刻受到外界干扰的影响。它们可以抑制设备向外发射干扰，但如果接地不当，反而会引入严重的干扰信号，导致PLC控制系统无法正常工作。PLC控制系统的接地包括系统地、屏蔽地、交流地、保护地等。接地系统混乱主要会造成各接地点分布不均匀，不同接地点之间的地电位存在差，从而产生地环路电流，影响系统的正常工作。例如，电缆屏蔽层必须单点接地，如果电缆屏蔽层两端都接地，就会存在电位差，电流就会从这个电位差中流过。当出现异常状态或遭受雷击时，地电流会更大。

另外，屏蔽层、地线与大地之间可能形成闭合电路，在变化的磁场作用下，屏蔽层内部会产生感应电流，并通过屏蔽层与芯线之间的耦合，形成干扰信号回路。如果系统接地处理混乱，与其他接地方式不一致，产生的地环流会使地线上电位分布不均匀，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC逻辑运算的干扰电压相对较低，逻辑地电位干扰的分布很可能影响PLC的逻辑运算和数据存储，造成数据混乱、程序失控或系统崩溃。模拟地电位的分布会导致测量精度下降，信号测控中出现严重的失真和误动作。

5）馈线引入的干扰

PLC控制系统所连接的各种信号传输线，除了传输有效信号外，还会不断有外部干扰信号的侵入。这种干扰主要有两种途径：首先是通过变频器的电源或共用信号仪表，通过串联连接引入电网，这往往被人们忽视；其次是信号线上空间电磁辐射引起的干扰，即外部对信号线的感应干扰，这种干扰非常严重。信号引入的干扰会造成信号工作异常，测量精度明显降低，严重时甚至会造成元器件的损坏。对于隔离性能差的系统，还会导致信号间相互干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据发生变化、误动作甚至系统崩溃。PLC控制系统中信号引入干扰对模块的损坏相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。

6）PLC内部的干扰

它主要由系统内部元器件、电路间的相互电磁辐射产生，例如逻辑电路间的相互辐射及其对模拟电路的影响、模拟地与逻辑地间的相互影响、元器件使用不匹配等。这属于PLC生产厂对系统内部电磁兼容性设计的内容，比较复杂，作为应用部门无法更改，因此不必过多考虑。但应选择应用经验丰富或经过测试的系统。

4、当系统受到干扰时，经常遇到以下主要干扰现象：

当系统发出指令时，电机不规则转动。

2）信号为零时，数显表显示数值无规律波动。

3）传感器运行时，PLC采集到的信号值与对应的实际参数值不匹配，且误差值具有随机性、无规律性。

4）与交流伺服系统共用电源时系统无法正常工作。

5、如何更好、更简单地解决PLC系统中的干扰问题？

理想情况下，应选择隔离性能较好的设备，采用高质量的电源、电源线和信号线进行布线，并保证合理的电源接地。但这需要不同设备厂商的共同努力才能实现，难度较大，成本较高。

2）模拟信号隔离器，是一种信号变送器，属于信号调理的范畴，主要起到抗干扰的作用。正因为它具有极强的抗干扰能力，所以在自动化控制系统中得到广泛的应用。尤其对于控制程序日益复杂的复杂工业现场，信号隔离器可以为输入、输出、电源等各种模拟信号提供三端隔离。这确实是当前自动化控制系统抗干扰的有效措施之一。

6、为什么信号隔离器是消除PLC系统中干扰的首选解决方案？

它使用简单方便、可靠、经济高效，并且能够同时解决多种干扰。

2）可以大幅减轻设计人员和系统调试人员的工作量，即使是复杂的系统，由普通设计人员处理也会变得非常稳定可靠。

信号隔离器的工作原理是什么？

PLC接收到的信号首先经过半导体器件进行调制变换，然后通过光敏或磁敏器件进行隔离变换，再进行解调恢复为原始信号或隔离前的不同信号。同时对隔离信号的电源进行隔离处理。确保变换后的信号、电源、地绝对独立。

如今，市面上的隔离器品牌繁多，价格差异很大，该如何选择呢？

隔离器位于两个系统通道之间，因此选择隔离器时，首先要确定其输入输出功能，同时隔离器的输入输出方式（电压型、电流型、环路供电型等）要与前后端通道的接口方式相适应。此外，精度、功耗、噪声、绝缘强度、总线通信等参数也与产品性能息息相关。例如，噪声与精度相关，功耗与可靠性相关，这些都需要用户谨慎选择。总而言之，试用性、可靠性以及产品性价比是选择隔离器的主要原则。

工作原理：首先采用半导体器件进行调制变换，然后通过光电传感器或磁传感器进行隔离变换，最后进行解调恢复隔离前的原始信号。同时对隔离信号的电源进行隔离处理，确保变换信号的电源与信号、地绝对独立。

一：保护下属单位的控制回路。

2、减弱环境噪声对测试电路的影响。

三：对公共接地、变频器、电磁阀、PLC/DCS输入输出及通讯接口实施可靠的保护。

标准系列导轨结构，安装方便，能有效隔离输入、输出、电磁阀与地之间的电位，能克服变频器噪声级的各种高、低频脉动干扰。

信号隔离器主要有哪些类型？

隔离器

在工业生产中，为了增强仪表的带载能力，保证连接同一信号的仪表之间互不干扰，提高电气安装性能，需要对输入的电压、电流或频率、电阻等信号进行采集、放大、处理和抗干扰处理，输出隔离的电流、电压信号，供二次仪表和PLC/DCS安全使用。

2）配电盘

在工业现场，一般采用两线制传输方式，它不仅为变送器等一次仪表提供24V电源，而且将输入的电流信号进行采集、放大、处理、滤波，输出隔离的电流、电压信号，供二次仪表或其他仪表使用。

3）安全屏障

一些特殊的工业现场，不仅要求两线制传输，还需要提供电源分配和信号隔离功能，同时需要具备在安全条件下防爆防火花的性能，可靠地抑制电源功率，防止电源、信号和地之间打火，对信号和电源电路进行限流和限压双重限制，将进入危险区域的能量限制在安全限额范围内。

信号隔离器的安装和维护需要注意哪些事项？

由于生产厂家不同，隔离器的生产工艺、接线定义等不尽相同，但应用场景基本相同，因此对产品的防护要求和维护也基本相同。

使用前请仔细阅读说明。

作为信号隔离器使用时，输入端应串联在环路中，输出端应接在采样电路中。

3、用于隔离配电时，输入端子应连接至电源电路，输出端子应连接至变送器。

4. 如果设备无法正常工作，请首先检查接线是否正确。另外，还要注意电源是否正常供电，以及极性是否正确。

为什么有时PLC接收到的现象信号误差较大、稳定性较差？

造成这种想象的原因有很多，其中仪表信号不同参考点之间的电位差是一个重要因素。由于这种电位差，仪表信号之间会产生干扰电流，导致PLC误差较大，稳定性较差。因此，不同设备仪表的信号最好有一个公共参考点。隔离器将输入/输出完全电气隔离，并与PLC上的模拟量接口板形成公共参考点，从而理想地解决了抗干扰问题。

隔离4-20mA通道，但机柜中没有剩余空间安装电源。该怎么办？

有无源信号隔离器可供选择，无需外接电源即可隔离4-20mA信号。PH1033就是这样一款产品。

现在市面上隔离器的品牌繁多，价格也相差很大，该如何选择呢？

隔离器位于两个系统通道之间，因此选择隔离器时，首先要确定其输入输出功能，同时隔离器的输入输出模式要与前后端通道的接口方式相适应。此外，产品性能还与精度、功耗、噪声、绝缘强度、总线通信功能等诸多重要参数相关。例如，噪声与精度相关，功耗与可靠性相关，这些都需要用户谨慎选择。总而言之，适用性、可靠性和产品性价比是选择隔离器的主要原则。

DCS接收现场两线制压力变送器信号不稳定，该如何解决？

两线制变送器在工业自动化领域应用较为广泛。与其他工业现场设备类似，两线制变送器也存在易受干扰和抗干扰的问题。根据DCS模拟量板的接口方式，应选择不同类型、不同功能的隔离变压器。原则上要求隔离变压器不仅能为变送器提供隔离电源，保证每个变送器有独立的电源，还能将变送器的信号隔离传输到DCS。

PLC模拟板接口采用两线制回路供电方式，且需要信号隔离，该如何选型产品？

两线环路供电方式是模拟量板卡的常用接口。兼容此接口的产品称为两线环路隔离系列产品。这些隔离变送器内部的隔离器件均采用变压器方式，一方面传输信号，另一方面也将电源端的电能传输到输入部分，使输入部分的各种电路能够正常工作。例如，ph2217等接口器件。

常用的两线断路器有几种类型？

常用的两线制隔离变送器有两个系列的产品，这两个系列的共同特点是都可以隔离后通过外部电源为两线制变送器提供独立的隔离电源：变送器的配电取决于现场配置的PLC/DCS模拟量。

安全护栏的应用

安全栅原为电气组合仪表单元的辅助单元，其主要作用是作为防爆系统的隔离装置，将来自危险区域的信号隔离、转换，并将隔离后的电流信号输出至安全区域。安全栅应用于本质安全防爆系统中，通过限流、限压电路限制送入现场电路的能量，从而防止非本质安全电路的危险能量进入本质安全电路。安全栅广泛应用于石油化工等行业的DCS/PLC/PCS等自动化系统中。

常见的安全栅按结构形式分为齐纳式、隔离式。

齐纳二极管安全栅的应用：

电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管来限制输入电能，从而保证输出至危险区域的能量在限值范围内。然而，由于该原理本身的缺陷，其在应用中的可靠性受到了影响，应用范围也受到了限制。原因如下：

安装现场应具有非常可靠的接地系统。齐纳安全栅的接地电阻必须小于1欧姆，否则将失去其保护安全功能。显然，这样的要求极其严格，在工程应用中难以保证。

2. 要求危险区域内的现场仪表必须采用隔离型。否则，当齐纳安全栅的接地端与大地连接时，信号将无法正确传输。而且，由于信号接地，直接降低信号的抗干扰能力，影响系统的稳定性。

3、齐纳安全栅对电源的影响较大，也容易因电源的波动而损坏。

隔离式安全栅的应用：

采用输入、输出、电源相互电气隔离的电路结构，同时满足防爆型限制能量的要求。

采用三方隔离方式，系统无需接地线，给设计和现场施工带来极大的方便。

2、对于危险区域内的现场仪表，不必采用隔离仪表。

3、信号线无需共地，显著增强了检测、控制电路信号的稳定性和抗干扰能力，从而提高了整个系统的可靠性。

4、隔离式安全栅具有更强的输入信号处理能力，可以接受和处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳二极管安全栅无法实现的。

5、隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号，可使用同一信号源分别提供给两台设备，保证两台设备信号互不干扰，同时增强了所连接设备之间的电气安全绝缘性能。

因此，对比齐纳式与隔离式安全栅的特点和性能，可以看出隔离式安全栅优势更为突出，应用也更为广泛。在要求较高的工程现场，几乎都采用隔离式安全栅作为主要的本安防爆仪表，并已逐步取代齐纳式安全栅。