工业控制系统中应用的ＰＬＣ抗干扰技术

　　【摘 要】PLC控制系统在工业应用中会受到各种干扰，本文对PLC抗干扰技术进行了详细论述，并总结了抑制、消除干扰的常用方法和一些对策。
　　【关键词】PLC 干扰类型 抗干扰
　　
　　1 前言
　　工业控制系统中所使用的各种类型PLC，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，虽然PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行的稳定性和较高的可靠性，但是由于它直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容易通过电源线或I/O传输线侵入，从而引起控制系统的错误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。外部干扰与系统结构无关，是随机的，且干扰源是无法消除的，只能针对具体情况加以限制；内部干扰与系统结构有关，主要通过系统内交流主电路，模拟量输入信号等引起，可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。
　　2 PLC系统的基本组成结构
　　可编程控制器硬件系统由PLC、功能I/O单元和外部设备组成，如图1所示。其中PLC由CPU、存储器、基本I/O模块、I/O扩展接口、外设接口和电源等部分组成，各部分之间由内部系统总线连接。
　　 　　
　　3 抗干扰的技术对策分析
　　为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中，硬件抗干扰是主要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。软件抗干扰技术作为硬件措施的辅助手段，减少随机性信号的干扰，其设计简单、修改灵活、耗费资源少，在PLC测控系统中同样获得了广泛的应用。
　　3.1硬件抗干扰对策
　　3.1.1电源系统引入的干扰对策
　　电网的干扰、频率的波动，将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。
　　(1)加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统
　　滤波器可抑制干扰信号从电源线传导到系统中。使用隔离变压器，屏蔽层要良好接地；次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰)，隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层，初级的屏蔽层接交流电网的零线；次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。开头稳压电源可抑制电网大容量设备起停引起电网电压的波动，保持供电电压的稳压。
　　(2)分离供电系统
　　PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。
　　3.1.2接地抗干扰对策
　　接地是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。给PLC接以专用地线可抑制附加在电源及输入、输出端的干扰。接地线与动力设备的接地点应分开，若达不到此要求，则可与其它设备公共接地，严禁与其它设备串联接地。接地电阻要小于5Ω，接地线要粗，面积要大于2平方毫米，而且接地点最好靠近PLC装置，其间的距离要小于50米，接地线应避开强电回路，若无法避开时，应垂直相交，缩短平行走线的长度。
　　3.1.3抑制输入输出电路引入的干扰对策
　　为了实现输入输出电路上的完全隔离，近年来在控制系统中广泛应用光电耦合。光电耦合器具有以下特点：首先，由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰；其次，由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系；第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小；第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那么灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。
　　(1)光电耦合输入电路如图2所示。其中(a)、(b)用的较多，(a)为高电平时接成形式，(b)为低电平输入时接成形式。(c)为差动型接法，适用于外部干扰严重的环境，当外部设备电流较大时，其传输距离可达100～200m。(d)考虑到COMS电路的输出驱动电流较小，不能直接带动发光二极管，加接一级晶体管作为功率放大。
　　

　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />　　(2)光电耦合输出电路如图3所示。(a)为同相输出，(b)为反相输出，当输出电路所驱动的元件较多时，可以加接一级晶体管作为驱动功率放大，如(c)所示。有时为了获得更好的输出波形，输出信号可经施密特电路整形。
　
　　以上两点是对开关量输入输出信号的处理方法，而对模拟输入输出信号，为了消除工业现场瞬时干扰对它的影响，除加A/D、D/A转换电路和光电耦合外，可根据需要采取软件的数字滤波技术如中值法、一阶递推数字滤波法等算法。
　　3.1.4外部配线的抗干扰设计
　　外部配线之间存在着互感和分布电容，进行信号传送时会产生窜扰。为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线，要使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧要悬空，而在控制器侧要接地。配线时在30m以下的短距离，直流和交流输入、输出信号线最好不要使用同一电缆，如果要走同一配线管时，输入信号要使用屏蔽电缆。30～300m距离的配线时，直流和交流输入、输出信号线要分别使用各自的电缆，并且输入信号线一定要用屏蔽线。对于300m以上长距离配线时，则可用中间继电器转换信号，或使用远程I/O通道。对于控制器的接地线要与电源线或动力线分开，输入、输出信号线要与高电压、大电流的动力线分开配线。
　　3.2软件抗干扰措施
　　为了提高输入信号的信噪比，常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统，采用程序限幅法，即连续采样5次，若某一次采样支援远大于其他几次采样的幅值，那么就舍取之。对于流量、压力、液面、位移等参数，往往在一定范围内频繁波动，则采用算术平均法。
　　(1)信号保护和恢复：当偶尔性故障发生时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障现象消失，就可以恢复正常，继续原来的工作。
　　(2)故障诊断：系统软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等，以便及时反映和处理。
　　(3)加强对程序的检查和校验：一旦程序有错，立即报警，并停止执行程序。
　　(4)设置警戒时钟WDT：如果程序循环扫描执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。
　　4 结束语
　　随着PLC应用范围的逐渐扩大，加之系统恶劣的工作环境，它所要克服的干扰就会越来越多，尽管PLC本机的可靠度很高。但是在系统设计和安装时，仍必须对环境作全面的分析，确定干扰的性质，采取相应的抗干扰措施，以保证系统长期稳定的工作。
　　
　　参考文献：
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　　[3]孙同景.可编程序控制器(PLC)应用技术[M].济南：山东科学技术出版社，2007，06.
　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />