科普｜模擬量信號干擾分析及11種解決方法

1、概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。自動化系統(tǒng)中所使用的各種類型PLC，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場和各種電機設(shè)備上，它們大多處在強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，設(shè)計人員只有預(yù)先了解各種干擾才能有效保證系統(tǒng)可靠運行。

2、電磁干擾源及對系統(tǒng)的干擾

影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源。

干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲的干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質(zhì)不同，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按聲音干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地面的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓送加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的電器供電室，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的原因），這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，這種直接疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。

3、PLC控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源有哪些呢？

(1)來自空間的輻射干擾：

空間的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。若PLC系統(tǒng)置于所射頻場內(nèi)，就回收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑；一是直接對PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；而是對PLC通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

(2)來自系統(tǒng)外引線的干擾：

主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較嚴重。

(3)來自電源的干擾：

實踐證明，因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多，筆者在某工程調(diào)試中遇到過，后更換隔離性能更高的PLC電源，問題才得到解決。

PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，

將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流轉(zhuǎn)動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路到電源邊。PLC電源通常采用隔離電源，但其機構(gòu)及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。

(4)來自信號線引入的干擾：

與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信號之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽略；二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾，這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機。PLC控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。

(5)來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾：

接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)加雷擊時，地線電流將更大。

此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)有會出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數(shù)據(jù)存儲，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。

(6)來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾：

主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于PLC制造廠對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門是無法改變，可不必過多考慮，但要選擇具有較多應(yīng)用實際或經(jīng)過考驗的系統(tǒng)。

4、系統(tǒng)受干擾時，常會遇到以下幾種主要干擾現(xiàn)象：

(1)系統(tǒng)發(fā)指令時，電機無規(guī)則地轉(zhuǎn)動；

(2)信號等于零時，數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳；

(3)傳感器工作時，PLC采集過來的信號與實際參數(shù)所對應(yīng)的信號值不吻合，且誤差值是隨機的、無規(guī)律的；

(4)與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源(如顯示器等)工作不正常。

5、怎樣才能更好、更簡單解決PLC系統(tǒng)干擾？

(1)理想狀態(tài)下是選用隔離性能較好的設(shè)備、選用優(yōu)良的電源、動力線和信號線走線、電源接地要更加合理等等，但是需要不同設(shè)備廠商共同協(xié)作才能完成，很難做到，而且成本較高。

(2)利用模擬信號隔離器，稱作信號變送器、屬于信號調(diào)理的范疇。其主要起抗干擾作用。正因為它有特強的抗干擾能力所以在自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。尤其對于復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場，控制程序越來越復(fù)雜，信號隔離器對各種模擬量信號進行輸入、輸出、電源三端隔離，的確是當(dāng)今自動化控制系統(tǒng)中抗干擾的有效措施之一。

6、為什么解決PLC系統(tǒng)干擾首選信號隔離器呢？

(1)使用簡單方便、可靠，成本低廉，可同時解決多種干擾。

(2)可大量減輕設(shè)計人員、系統(tǒng)調(diào)試人員工作量，即使復(fù)雜的系統(tǒng)在普通的設(shè)計人員手里，也會變的非常穩(wěn)定可靠。

7、信號隔離器工作原理是什么？

首先將PLC接收的信號，通過半導(dǎo)體器件調(diào)制變換，然后通過光感或磁感器件進行隔離轉(zhuǎn)換，然后再進行解調(diào)變換回隔離前原信號或不同信號，同時對隔離后信號的供電電源進行隔離處理。保證變換后的信號、電源、地之間絕對獨立。

8、現(xiàn)在市場有那么多品牌的隔離器，價格參差不齊，該怎么選擇呢？

隔離器位于二個系統(tǒng)通道之間，所以選擇隔離器首先要確定輸入輸出功能，同時要使隔離器輸入輸出模式（電壓型、電流型、環(huán)路供電型等）適應(yīng)前后端通道接口模式。此外尚有精度﹑功耗﹑噪音﹑絕緣強度﹑總線通訊功能等許多重要參數(shù)涉及產(chǎn)品性能，例如：噪音與精度有關(guān)、功耗熱量與可靠性有關(guān)，這些需要使用者慎選。總之，適用、可靠、產(chǎn)品性價比是選擇隔離器的主要原則。

如果你對以上的分享還不太清楚，那接下來給大家敲黑板劃重點（11種模擬量干擾解決辦法）：

• 1、加1：1信號隔離器；

• 2、加磁環(huán)；

• 3、PLC供電加隔離變壓器；

• 4、開關(guān)量信號和模擬量信號分開走；

• 5、模擬信號最好采用單獨屏蔽線。信號類型最好采用4-20mA；

• 6、模擬信號負載是電磁閥類的，最好能選1.5的線；

• 7、模擬信號和數(shù)字信號不能合用同一根多芯電纜,更不能和電源線共用電纜；

• 8、PLC輸入輸出信號線，必須使用屏蔽電纜，在輸入輸出側(cè)懸空，而在PLC側(cè)接地；

• 9、信號線纜要遠離強干擾源，如變頻器、大功率硅整流裝置和大型動力設(shè)備；

• 10、模擬信號和數(shù)字信號不能合用同一根多芯電纜,更不能和電源線共用電纜；

• 11、為了減少電子干擾對于模擬信號應(yīng)使用雙絞屏蔽電纜模擬信號電纜的屏蔽層應(yīng)該兩端接地，但是如果電纜兩端存在電位差將會在屏蔽層中產(chǎn)生等電線連接電流造成對模擬信號的干擾在這種情況下你應(yīng)該讓電纜的屏蔽層一端接地。