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PLC控制系统的抗干扰研究
xiao_xiao1 发表于 2008/12/2 12:20:46 545 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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文中对影响PLC控制系统稳定性的主要干扰源、成因进行了分析。从硬件电路设计和软件程序编制入手，研究探讨提高PLC控制系统抗干扰能力的方法和措施。实践证明，这些方法和措施对提高PLC控制系统抗干扰能力具有普遍意义和实用价值。
［关键词］ PLC；控制系统；抗干扰
1 概 述
PLC作为一种自动化程度高、配置灵活的工业生产过程控制装置，因为其本身的高可靠性、允许在较为恶劣的环境下工作而在自动控制领域中得到广泛应用。在PLC控制系统中，就PLC本身来说，其薄弱环节在I／O端口，虽然它有与现场相当可靠的隔离和端口之间的隔离以及端口输入、输出信号与总线信号之间的隔离，但由于PLC的应用场合越来越广，应用环境越来越复杂，所受到的干扰也越来越多。如来自电源波形的畸变、现场设备所产生的电磁干扰、接地电阻的耦合、输入元件触点的抖动等各种形式的干扰，都可能使系统不能正常工作。因此，研究PLC控制系统干扰信号的来源、成因及抑制措施，对于提高PLC控制系统的抗干扰能力和可靠性具有重要作用。
2 影响PLC控制系统稳定的干扰因素
影响PLC控制系统稳定的干扰因素很多，主要 的有下面几种：
（1）电源波形畸变干扰：由于PLC控制系统本身或者电网其它设备采用SCR、GTO、IGBT等电力半导体器件，在工作时产生的高次谐波、噪声、寄生振荡等，引起电网电源波形畸变，通过电源线路对PLC产生的干扰。
（2）电路耦合干扰：由于PLC接地点选择不当或接地不良，通过回路公共阻抗发生耦合而产生的电流干扰。
（3）输入元器件触点的抖动干扰：由于现场强烈振动使PLC输入元器件触点发生抖动（尤其是常闭触点）产生的误信号所形成的干扰
（4）电容性干扰：在干扰源与干扰对象（PLC）之间存在分布电容耦合所产生的干扰。
（5）电感性干扰：干扰源中的交变磁场通过干扰对象（PLC）中的电感性元件耦合所产生的干扰。
（6）波干扰：由空间电磁波（主要是雷达、电台、移动电话等）的电磁场、传导波的传导电流和传导电压所产生的干扰。过合理配置供电电源、正确选择接地点、接地方式和输入输出配线等措施，可有效提高系统的抗干扰能力。
3．1 供电电源
由于PLC本身抗干扰的能力很强，通常只要将PLC电源与系统动力设备分开配线，对于从电源来的干扰，具有足够强的抑制能力。但是，如果遇到特殊情况，电源干扰特别严重，可采用带屏蔽层的隔离变压器供电，甚至加接线路滤波器，以抑制从交直流电源侵入的常模和共模瞬变干扰，还可抑制PLC内部开关电源向外辐射噪声。在有较强干扰源的环境中使用PLC，或对PLC工作可靠性要求特别高时，应将屏蔽层和PLC浮动地端子接地。
3．2 接地
在PLC控制系统中，具有多种形式的“地”，主要有：
（1）信号地：是输入端信号元件———传感器的地。
（2）交流地：交流供电电源的N线，通常它是产生噪声的主要地方。
（3）屏蔽地：一般为防止静电、磁场感应而设置的外壳或金属丝网，通过专门的铜导线将其与地壳连接。
（4）保护地：一般将机器设备外壳或设备内独立器件的外壳接地，用以保护人身安全和防护设备漏电。
为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应对PLC系统进行良好的接地。一般情况下，接地方式与信号频率有关，当频率低于1 MHz时，可用一点接地；高于10 MHz时，采用多点接地；在1～10 MHz间采用哪种接地视实际情况而定。因此，PLC组成的控制系统常用一点接地，接地线截面积不能小于2 mm2，接地电阻不能大于100Ω，接地线最好是专用地线。若达不到这种要求，也可采用公共接地方式，禁止采用与其它设备串联接地的方式。
交流电源在传输时，在相当一段间隔的电源导线上，会有几mV、甚至几V的电压，而低电平信号传输要求延路电平为零。为防止交流电对低电平信号的干扰，在直流信号的导线上要加隔离屏蔽；不允许信号源与交流电共用一根地线；各个接地点通过接地铜牌连接到一起。
屏蔽地、保护地不能与电源地、信号地和其它地扭在一起，只能各自独立的接到接地铜牌上。为减少信号的电容耦合噪声，可采用多种屏蔽措施。对于电场屏蔽的分布电容问题，通过将屏蔽地接入大地可解决。对于纯防磁的部位，例如强磁铁、变压器、大电机的磁场耦合，可采用高导磁材料作外罩，将外罩接入大地来屏蔽。
3．3 输入、输出配线
（1）PLC电源线、I／O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线，且后者应采用屏蔽线，并且将屏蔽层接地。数字传输线也要用屏蔽线，并且要将屏蔽层接地。由于双绞线中电流方向相反，大小相等，可将感应电流引起的噪声互相抵消，故信号线多采用双绞线或屏蔽线。
（2）输入、输出信号的防错
当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时，在关断时仍有较大的漏电流。而PLC的输入继电器灵敏度较高，如漏电流干扰超过一定值，就形成了误信号。同样，当输出元件为VTH（双向晶闸管）或是晶体管输出，而外部负载又很小时，会因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流，引起微小电流负载的误动，导致输入与输出信号的错误，给设备和人身造成不良后果。
解决办法是在这类输入、输出端并联旁路电阻，以减小PLC输入电流和外部负载上的电流，电路接线如图3—1所示。图中，旁路电阻按下式求出：
式中，Il———输入信号源或输出晶闸管最大漏电流；
Um———输入信号电压或外部负载电压最大值；
IN———输入点或外部负载的额定电流。
还有一种方法是在PLC输入端加RC滤波环节，利用RC的延迟作用来抑制窜入脉冲所引起的干扰。在晶闸管输出的负载两端并联RC浪涌电流抑制器，减小漏电流的干扰。
4 从软件设计方面提高系统抗干扰能力
PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用它们设计一些程序，可以屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作，提高 系统的抗干扰能力。
4．1 利用PLC内部定时器，屏蔽输入端可能出现的误信号
在PLC组成的自动控制系统中，每一次循环，各工步的动作时间通常是固定不变的，行程开关（或其它敏感元件，如光电开关）总是在该工步的同一时刻发出信号。根据这一特点，用两个内部定时器，限定PLC只在该开关正常发信号的时间内采样，就可屏蔽掉其它时间可能发出的误信号———干扰信号。 图4—1所示是以FX2N—48MR型PLC控制为例（文中举例均为此机型），某自动生产线上对输入X000采样的梯形图程序及时序图。根据计算和实测，正常情况下，输入X000总是在输出Y000启动后0．7 s左右发出信号。但在实际运行时，由于现场环境恶劣，有可能使X000发出误信号，引起控制系统的错误动作。现在，将定时器T0的延迟时间设为0．5 s，T1的延迟时间设为0．9 s，从图可知，只有在Y000＝1后0．5～0．9 s的时间内采样的X000信号，才被认为是有效信号M0，其它时间内，即使X000误发信号，也会被屏蔽掉。
4．2 利用PLC内部计数器，消除输入元件触点“抖动”干扰
在PLC控制系统中，由于外界干扰的影响，有些输入元件在接通时，会发生触点时断时续的“抖动”现象而发出错误信号。在图4—2a中，当输入X001发生抖动时，输出Y001也会跟着抖动。消除 这种干扰的方法是利用计数器经适当编程来实现。图4—2b是用计数器组成的消“抖动”程序和波形图。当“抖动”干扰使X001断开的间隔Δt＜x×0．1s（注：M8012为特殊辅助继电器，产生0．1 s的时钟脉冲）时，计数器输出为“0”，输出继电器Y001保持接通，干扰对PLC正常工作不构成影响；当X001断开时间Δt≥x×0．1 s，计数器C1计满x次时，C1为“1”，输出继电器Y001输出为“0”。计数器的计数次数x可在调试时根据干扰情况修改。
5 结束语
随着PLC的应用越来越广泛，它所要克服的干扰越来越多，越来越复杂。如何进一步提高PLC控制系统的抗干扰能力，多种方法和措施正在研究探索之中。通过正确设计硬件线路，选用高质量的元器件，充分利用PLC本身软元件，灵活巧妙地编程等措施，可以有效地提高系统的抗干扰能力。