簡(jiǎn)述ＰＬＣ應(yīng)用中的抗干擾設(shè)計(jì)

摘要：工業(yè)的發(fā)展對(duì)PLC控制系統(tǒng)依賴性越來(lái)越強(qiáng)，而現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中所使用PLC大多處于惡劣的電磁環(huán)境中，很容易被周?chē)蓴_源干擾而影響工作，為防止干擾，除了從硬件電路上設(shè)計(jì)，還可以從軟件編程上采取措施。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)；抗干擾；硬件設(shè)計(jì)；軟件措施

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2008)36-2837-02

PLC是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它起源于1969年，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，由于PLC具有通用性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單、可靠性高，能較強(qiáng)適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中。

工業(yè)高速發(fā)展對(duì)控制系統(tǒng)依賴性越來(lái)越強(qiáng)。現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中所使用PLC，大多安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或主控室，處強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成惡劣電磁環(huán)境中，很容易被周?chē)蓴_源干擾而引起控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成芯片內(nèi)單位面積元件數(shù)越來(lái)越多，芯片對(duì)外界噪聲也越趨敏感，顯示出來(lái)抗干擾能力也就很低。特別是外部連接電纜又多又長(zhǎng)，這類似于拾取噪聲高效天線，給噪聲耦合提供了充分條件，使各種噪聲容易侵入控制系統(tǒng)。為防止干擾，可以采用硬件和軟件兩個(gè)方面的措施。首先我們從硬件電路上加以設(shè)計(jì)。

1 選擇合理的設(shè)備型號(hào)

在選擇設(shè)備時(shí)，首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC系統(tǒng)；其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo)，如共模擬制比、差模擬制比，耐壓能力、允許在多大電場(chǎng)強(qiáng)度和多高頻率的磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中工作；另外是靠考查其在類似工作中的應(yīng)用實(shí)績(jī)。 在選擇國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品要注意：我國(guó)是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。由于我國(guó)電網(wǎng)內(nèi)阻大，零點(diǎn)電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上，對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能要求更高，在國(guó)外能正常工作的PLC產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)工業(yè)就不一定能可靠運(yùn)行，這就要在采用國(guó)外產(chǎn)品時(shí)，按我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13926）合理選擇。

2 注意選擇良好的工作環(huán)境

PLC的工作環(huán)境溫度在 0 ～ 55 ℃ 范圍內(nèi)；環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)在 35 ％～ 85 ％范圍內(nèi)；周?chē)鸁o(wú)易燃和腐蝕性氣體；周?chē)鸁o(wú)過(guò)量的灰塵和金屬微粒等。

3 正確的接線

PLC 系統(tǒng)的接線主要包括電源接線、接地、 I/O 接線及對(duì)擴(kuò)展單元接線等。除按規(guī)定接線外，還應(yīng)注意以下接線要求：

1） 動(dòng)力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應(yīng)分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應(yīng)采用雙膠線連接。

2） PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源如電焊機(jī)、大功率硅整流裝置和大型動(dòng)力設(shè)備，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。

3） PLC的輸入與輸出最好分開(kāi)走線，開(kāi)關(guān)量與模擬量也要分開(kāi)敷設(shè)。模擬量信號(hào)的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地，接地電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的1/10。

4） PLC基本單元與擴(kuò)展單元以及功能模塊的連接線纜應(yīng)單獨(dú)敷設(shè)，以防止外界信號(hào)的干擾。

5）交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線，避免并行。

4 加裝濾波、隔離、屏蔽等系統(tǒng)抵制各種干擾

1）電網(wǎng)的干擾，頻率的波動(dòng)，將直接影響到PLC系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。如何抑制電源系統(tǒng)的干擾是提高PLC的抗干擾性能的主要環(huán)節(jié)。實(shí)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。解決的方法：一是選擇干凈的電源，適當(dāng)采用無(wú)源濾波方式；二是加隔離變壓器另外如果有條件的話采用UPS供電那就更好了。

2）接地干擾

在PLC控制系統(tǒng)中，具有多種形式的“地”，主要有： 信號(hào)地，交流地，屏蔽地，保護(hù)地。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應(yīng)對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行良好的接地。PLC組成的控制系統(tǒng)常用一點(diǎn)接地，接地線截面積不能小于2mm2，接地電阻不能大于100Ω，接地線最好是專用地線。若達(dá)不到這種要求，也可采用公共接地方式，禁止采用與其它設(shè)備串聯(lián)接地的方式。為防止交流電對(duì)低電平信號(hào)的干擾，在直流信號(hào)的導(dǎo)線上要加隔離屏蔽；不允許信號(hào)源與交流電共用一根地線；各個(gè)接地點(diǎn)通過(guò)接地銅牌連接到一起。

屏蔽地、保護(hù)地不能與電源地、信號(hào)地和其它地扭在一起，只能各自獨(dú)立的接到接地銅牌上。為減少信號(hào)的電容耦合噪聲，可采用多種屏蔽措施。對(duì)于電場(chǎng)屏蔽的分布電容問(wèn)題，通過(guò)將屏蔽地接入大地可解決。對(duì)于純防磁的部位，例如強(qiáng)磁鐵、變壓器、大電機(jī)的磁場(chǎng)耦合，可采用高導(dǎo)磁材料作外罩，將外罩接入大地來(lái)屏蔽。

另一方面在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制需要用到各種自動(dòng)化儀表、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于儀表和設(shè)備之間的參考點(diǎn)之間存在電勢(shì)差(也就是各設(shè)備的共地點(diǎn)不同)因而形成“地環(huán)流”、“接地環(huán)路”問(wèn)題。當(dāng)環(huán)流很大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很高的共摸噪聲電壓，并通過(guò)分布參數(shù)耦合到信號(hào)線，或直接連接到電平信號(hào)線上，將產(chǎn)生很大的串模干擾，甚至損壞接口電路及設(shè)備，在各個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)中使用信號(hào)隔離器，斷開(kāi)過(guò)程環(huán)路，同時(shí) 又不影 響過(guò)程信號(hào)的正常傳輸，從而徹底解決地環(huán)流的問(wèn)題。

3） 輸入輸出電路引入的干擾

為了防止或減少外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號(hào)與直流輸入、輸出應(yīng)分別使用各自的電纜；對(duì)于集成電路或晶體管設(shè)備的輸入、輸出信號(hào)線、必須使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側(cè)懸空，而在控制側(cè)接地， PLC的輸出負(fù)載可能產(chǎn)生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續(xù)流管保護(hù)，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護(hù)。

為了實(shí)現(xiàn)輸入輸出電路上的完全隔離，近年來(lái)在控制系統(tǒng)中光電耦合得到廣泛應(yīng)用，由于靠光傳送信號(hào)，切斷了各部件電路之間地線的聯(lián)系;而且發(fā)光二極管動(dòng)態(tài)電阻非常小，能夠傳送到光電耦合器輸入輸出的干擾信號(hào)就變得很小;因此，即使是在干擾電壓幅值較高的情況下，由于沒(méi)有足夠的能量，仍不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而可以有效地抑制掉干擾信號(hào)。光電耦合輸入電路如圖1所示。

4）電磁輻射干擾

一方面電磁干擾產(chǎn)生的根本原因是導(dǎo)體中有電壓或電流的變化，即較大的dv/dtdi/dt.dv/dt或di/dt能夠使導(dǎo)體產(chǎn)生電磁波輻射。另一方面，來(lái)自空間的輻射干擾，空間的輻射電磁場(chǎng)（EMI）主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線電廣播、電視、雷達(dá)、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(chǎng)內(nèi)，就回收到輻射干擾，其影響主要通過(guò)兩條路徑；一是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；而是對(duì)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(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過(guò)設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù)。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，有時(shí)只采用硬件措施不能完全消除干擾的影響，必須用軟件措施加以配合。PLC內(nèi)部具有豐富的軟元件，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等，利用它們?cè)O(shè)計(jì)一些程序，可以屏蔽輸入元件的誤信號(hào)，防止輸出元件的誤動(dòng)作，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

1）利用PLC內(nèi)部定時(shí)器，屏蔽輸入端可能出現(xiàn)的誤信號(hào)

在PLC組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，每一次循環(huán)，各工步的動(dòng)作時(shí)間通常是固定不變的，行程開(kāi)關(guān)(或其它敏感元件，如光電開(kāi)關(guān))總是在該工步的同一時(shí)刻發(fā)出信號(hào)。根據(jù)這一特點(diǎn)，用兩個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，限定PLC只在該開(kāi)關(guān)正常發(fā)信號(hào)的時(shí)間內(nèi)采樣，就可屏蔽掉其它時(shí)間可能發(fā)出的誤信號(hào)——干擾信號(hào)。圖2所示是以FX2N--48MR型PLC控制為例，某自動(dòng)生產(chǎn)線上對(duì)輸入X000采樣的梯形圖程序及時(shí)序圖。

2）利用PLC內(nèi)部計(jì)數(shù)器，消除輸入元件觸點(diǎn)“抖動(dòng)”干擾

圖1 常用光電耦合接線方式

圖2 利用定時(shí)器屏蔽輸入端的誤信號(hào)

圖3 利用計(jì)數(shù)器消除抖動(dòng)

在PLC控制系統(tǒng)中，由于外界干擾的影響，有些輸入元件在接通時(shí)，會(huì)發(fā)生觸點(diǎn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的“抖動(dòng)”現(xiàn)象而發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)。如圖3a所示，消除這種干擾的方法是利用計(jì)數(shù)器經(jīng)適當(dāng)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）控制狀態(tài)失常的軟件對(duì)策

在條件控制系統(tǒng)中，人們關(guān)注的問(wèn)題是能否確保正常的控制狀態(tài)。如果干擾進(jìn)入系統(tǒng)，會(huì)影響各種控制條件，造成控制輸出失誤。為了確保系統(tǒng)安全可以采取下述軟件抗干。

1）軟件冗余

對(duì)于條件控制系統(tǒng)，將控制條件的一次采樣、處理控制輸出改為循環(huán)采樣、處理控制輸出。這種方法具有良好的抗偶然因素干擾作用。

2）設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元

當(dāng)干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時(shí)，系統(tǒng)可以及時(shí)查尋當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元的輸出狀態(tài)信息，及時(shí)糾正錯(cuò)誤的輸出狀態(tài)。

3）設(shè)置自檢程序

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的特定部位或某些內(nèi)存單元設(shè)狀態(tài)標(biāo)志，在運(yùn)行中不斷循環(huán)測(cè)試，以保證系統(tǒng)中信息存儲(chǔ)、傳輸、運(yùn)算的高可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，如何進(jìn)一步提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力，多種方法和措施正在研究探索之中。通過(guò)正確選擇硬件設(shè)備和線路，還可充分利用PLC本身軟元件，靈活巧妙地編程等措施，有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

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