抗干擾設(shè)計(jì)方案在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、抗干擾控制【抗干擾設(shè)計(jì)方案在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用】可編程序控制器簡稱PLC是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置。由于PLC具有功能性強(qiáng)、編程簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制中。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，系統(tǒng)的抗干擾能力是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。由于PLC是以集成電路為基本單元的電子裝置，內(nèi)部處理過程不依賴機(jī)械觸點(diǎn)，它的硬件和軟件在設(shè)計(jì)中都采用一系列的隔離和抗干擾技術(shù)，即使在惡劣的環(huán)境中PLC仍能穩(wěn)定工作，但是，如果PLC控制系統(tǒng)外界和內(nèi)部的干擾過于強(qiáng)烈，就會(huì)影響到整機(jī)的可靠運(yùn)行，所以充分考慮PLC系統(tǒng)的抗干擾設(shè)

2、計(jì)，并在外圍電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的安裝過程中采取相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)方案，才能確保整個(gè)系統(tǒng)可靠工作。下面就PLC控制系統(tǒng)中常見的干擾源以及如何采用相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)方案進(jìn)行較為詳細(xì)的探討。一、PLC控制系統(tǒng)中常見的干擾源一般而言，除有用信號(hào)以外，其他任何對(duì)系統(tǒng)有不良作用的噪聲信號(hào)，都?xì)w于干擾之列，必須給予抑制或消除。造成PLC控制系統(tǒng)受干擾的原因是多方面的，根據(jù)其大致可以分為PLC系統(tǒng)內(nèi)部干擾源、系統(tǒng)外引線干擾源和空間輻射干擾源三個(gè)方面。1.系統(tǒng)內(nèi)部干擾源系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要是由于PLC控制系統(tǒng)自身存在的噪聲與缺陷所引起，例如元器件性能變壞或失效，線路中存在的電容性元件引起的寄生振蕩，接插件接觸不良，焊接

3、工藝差，軟件設(shè)計(jì)考慮不周而存在某種缺陷，調(diào)試過程中的疏忽大意以及線路故障等都將給運(yùn)行中的PLC系統(tǒng)造成干擾。2.系統(tǒng)外引線干擾源系統(tǒng)外引線干擾源主要指來自PLC控制系統(tǒng)以外的電源和信號(hào)線的干擾，包括電源的干擾、來自信號(hào)線引入的干擾以及接地系統(tǒng)混亂時(shí)引起的干擾等。電源干擾。PLC系統(tǒng)的正常供電電源由電網(wǎng)提供，電網(wǎng)內(nèi)部的變化，都通過輸電線路傳到PLC電源系統(tǒng)，如果電源性能不理想，系統(tǒng)就有可能無法正常工作。來自信號(hào)線引入的干擾。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。由信號(hào)侵入干擾會(huì)引起I/O信號(hào)工作異常，大大降低測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)損傷元器件，甚至造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)作或死機(jī)。

4、接地系統(tǒng)混亂時(shí)引起的干擾。接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性的有效手段之一。接地系統(tǒng)混亂對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均勻，不同接地點(diǎn)間存在電位差引起的環(huán)路電流影響系統(tǒng)正常工作。3.空間輻射干擾源空間輻射干擾主要是由電力網(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(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生。其影響主要通過兩個(gè)途徑：一是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對(duì)PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。二、PLC控制系統(tǒng)中有效的幾種抗干擾設(shè)計(jì)方案1.電源電路的抗干擾設(shè)計(jì)方案由供電線路引入的干擾和電源自身產(chǎn)生的干擾，是PLC控制系統(tǒng)的主要干擾源。完善電源電路的抗干擾措

5、施，則解決了很大部分的干擾問題。采用交流穩(wěn)壓器。PLC控制系統(tǒng)往往都在比較惡劣的用電環(huán)境中使用，如車間有大電機(jī)、電焊機(jī)、電弧爐等大用電設(shè)備頻繁啟動(dòng)，車間供電電壓波動(dòng)較大，瞬間下降較嚴(yán)重。為保證PLC供電系統(tǒng)不受其干擾，通常220V電源進(jìn)線都要加裝交流穩(wěn)壓器。而且要采用高性能的穩(wěn)壓器，要求無自激現(xiàn)象，紋波盡可能小，因此應(yīng)設(shè)法抑制穩(wěn)壓電源內(nèi)部可能出現(xiàn)的噪聲，使它既不能引入外來的干擾又保證自身不產(chǎn)生干擾。特別注意交流穩(wěn)壓器容量大小的合理配置，要按實(shí)際考慮容量并留有一定余量。采用電源濾波器。采用電源濾波器是PLC控制系統(tǒng)中廣泛采用的抗干擾措施之一。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試在電源中如圖1連接是一種較為有效的抑制共模

6、和串模干擾的電源濾波器。其中，L1、L2、C1構(gòu)成一個(gè)主要濾除串模干擾的濾波器；而L3、L4、C2、C3則主要用于抑制共模干擾。其中L1和L2可選用幾百mH，采用不易飽和的鐵心材料。L3和L4可用幾幾十mH。電容通常選用高頻性能好，耐壓高的陶瓷或聚酯電容。C1選F，C2和C3一般選幾千pF。選用不同的電源濾波器的電感和電容的參數(shù)，可濾除不同頻段上的干擾。采用屏蔽隔離變壓器。為保證PLC供電系統(tǒng)不受干擾，在進(jìn)入PLC控制系統(tǒng)之前的電源線路中加裝屏蔽隔離變壓器，且變壓器的容量應(yīng)比實(shí)際大倍左右。屏蔽隔離變壓器的次級(jí)側(cè)至PLC控制系統(tǒng)間必須采用大于2mm2的銅芯聚氯乙烯絕緣雙絞線。隔離變壓器的一次側(cè)和

7、二次側(cè)間均應(yīng)采用靜電屏蔽措施，在變壓器一次側(cè)和二次側(cè)間加屏蔽并接地，因此可以大大減小分布電容，從而消除線圈間的直接耦合。如果電源帶有嚴(yán)重干擾，應(yīng)采用如圖2接法的三層屏蔽變壓器。雙層屏蔽的隔離變壓器只能夠抑制共頻干擾，三層屏蔽的變壓器還能抑制共模干擾。采用分離供電系統(tǒng).。在PLC控制系統(tǒng)中，向I/O通道和其他設(shè)備供電的變壓器應(yīng)與向PLC控制系統(tǒng)供電的變壓器分開，以抑制電網(wǎng)的干擾。也可采用UPS的供電系統(tǒng)和雙路供電系統(tǒng)，雙路電源最好引自不同的變電站。綜合以上分析PLC控制系統(tǒng)電源電路的抗干擾設(shè)計(jì)方案如圖3所示此外，供電系統(tǒng)的配線裝置也必須采取一些抗干擾措施，比如電源部分應(yīng)盡可能安放在距電源引進(jìn)入口

8、較近的地方；從電源引進(jìn)口，經(jīng)過開關(guān)器件和低通濾波器，直到電源的配線盡量選用粗導(dǎo)線；電源后面的一段布線，均應(yīng)采用扭絞線，扭絞的螺距要小，如果導(dǎo)線較粗，無法扭絞時(shí)，應(yīng)把布線距離縮到最短程度；交流線、邏輯信號(hào)線、模擬信號(hào)線等均應(yīng)分開布線。2.接地系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)不正確的接地方法，會(huì)使系統(tǒng)的干擾大大增加，甚至使系統(tǒng)無法正常工作；正確的接地方法既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾電磁。接地系統(tǒng)混亂是對(duì)PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的重要原因，體現(xiàn)在各個(gè)接地點(diǎn)，點(diǎn)位分布不均，不同接地點(diǎn)存在地電位差，引起地環(huán)路電流，因此影響系統(tǒng)的正常工作。若系統(tǒng)地與其他接地系統(tǒng)處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地

9、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(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯。模擬地電位的分布干擾將導(dǎo)致測(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作。PLC控制系統(tǒng)與電網(wǎng)的接地方式。在PLC控制系統(tǒng)與電網(wǎng)的接地方式中, 經(jīng)過反復(fù)測(cè)試采用如圖4的接地方式具有較好的抗干擾效果。圖4為共地方式，PLC控制系統(tǒng)中電路的接地點(diǎn)、機(jī)殼與電網(wǎng)地線N和接地線B聯(lián)在一起,整個(gè)系統(tǒng)以大地為電位參考點(diǎn),這種接地方式在大地電位比較穩(wěn)定的場(chǎng)所,系統(tǒng)的電位也比較穩(wěn)定,接地線路比較簡單,且因機(jī)殼接地,操作也較安全。若在大地電位變化較大的場(chǎng)所,系統(tǒng)

10、的電位也隨之變化,電路將受到共模干擾,且容易轉(zhuǎn)變成串模干擾,此時(shí)應(yīng)盡量減小接地電阻,也可以采用浮地方式。圖4是浮地方式，PLC控制系統(tǒng)中電路的接地點(diǎn)與機(jī)殼相聯(lián)浮空不接地，一般在機(jī)柜與地之間用絕緣膠墊隔開,交流進(jìn)線也要加強(qiáng)絕緣,該方式可避免大地電位變化、地回路電磁感應(yīng)造成的干擾,但因系統(tǒng)浮地,機(jī)殼容易積累靜電,操作不太安全。圖4是電網(wǎng)和機(jī)殼共地、電路浮地的方式，是上面兩種方式的折衷，因機(jī)殼的接地點(diǎn)與電網(wǎng)接地點(diǎn)連在一起，因此操作比較安全，電路的接地點(diǎn)是獨(dú)立的，避免受大地電位和接地回路的干擾。通常將電路和插件框架用絕緣支撐與外部機(jī)架、機(jī)殼隔開,保護(hù)電路部件與機(jī)殼的良好絕緣。電路的接地點(diǎn)接在插件框架背

11、面專門設(shè)置的敷銅板上,自成接地系統(tǒng)。本文為全文原貌 未安裝PDF瀏覽器用戶請(qǐng)先下載安裝 原版全文PLC控制系統(tǒng)與動(dòng)力設(shè)備的接地方式。在PLC控制系統(tǒng)與動(dòng)力設(shè)備的接地方式中，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試采用如圖的接地方式具有較好的抗干擾效果。圖5為控制系統(tǒng)與其他動(dòng)力設(shè)備單獨(dú)接地即專用接地；圖5為控制系統(tǒng)與其他動(dòng)力設(shè)備公共接地；見圖5為控制系統(tǒng)與其他動(dòng)力設(shè)備串聯(lián)接地即共通接地。其中單獨(dú)接地的方式最好，若不能每個(gè)設(shè)備都單獨(dú)接地，可使用公共接地方式，但PLC控制系統(tǒng)不允許與其他動(dòng)力設(shè)備串聯(lián)接地，特別是應(yīng)避免與電動(dòng)機(jī)、變壓器、變頻調(diào)速器、制冷壓縮機(jī)等動(dòng)力設(shè)備串聯(lián)接地。PLC系統(tǒng)最好單獨(dú)接地，也可以與其他設(shè)備公共接地，但

12、嚴(yán)禁與其他設(shè)備串聯(lián)接地。連接接地線時(shí),一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)；PLC控制系統(tǒng)單獨(dú)接地；PLC系統(tǒng)的接地端子是抗干擾的中性端子，應(yīng)與接地端子連接，其正確接地可以有效消除電源系統(tǒng)的共模干擾；PLC系統(tǒng)的接地線至少用20mm2的專用接地線，以防止產(chǎn)生感應(yīng)電；輸入/輸出信號(hào)電纜的屏蔽線應(yīng)與接地端子端連接，且接地良好。3.安裝與布線的抗干擾設(shè)計(jì)方案在對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行安裝和布線時(shí)，除了要按正常的操作規(guī)程進(jìn)行外，還要考慮到周圍的工作環(huán)境。PLC系統(tǒng)所處的環(huán)境對(duì)其自身抗干擾也有一定得關(guān)系。安裝注意事項(xiàng)。第一，PLC系統(tǒng)周圍的環(huán)境溫度在055之間，空氣相對(duì)濕度小于85%，周圍沒有水的濺射，并且避免太陽光直射；第二，

13、濾波器、隔離變壓器應(yīng)設(shè)在PLC控制柜電源進(jìn)線口處，不讓干擾進(jìn)入柜內(nèi)，或盡量縮短進(jìn)線距離；第三，PLC控制柜應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓柜、大動(dòng)力設(shè)備和高頻設(shè)備；第四，PLC控制柜應(yīng)遠(yuǎn)離繼電器之類的電磁線圈和容易產(chǎn)生電弧的觸點(diǎn)；第五，整臺(tái)PLC要遠(yuǎn)離發(fā)熱的電器設(shè)備或其他熱源，并放置在通風(fēng)良好的位置上；第六，周圍沒有過度的振動(dòng)和沖擊，如果PLC安裝位置有強(qiáng)烈的振動(dòng)源，系統(tǒng)的可靠性也會(huì)降低，周圍沒有腐蝕和易燃的氣體。布線注意事項(xiàng)。在敷設(shè)電纜時(shí)，應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)要求：第一，將動(dòng)力線、控制線、信號(hào)線嚴(yán)格分開，以防止它們之間的相互干擾；第二，PLC的輸入線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離輸出線、高壓線及其他用電設(shè)備。開關(guān)量和模擬量的信號(hào)線也

14、要分開敷設(shè)，敷設(shè)模擬量信號(hào)使用雙層屏蔽電纜時(shí)，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地，接地電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的十分之一；第三，PLC的控制單元與擴(kuò)展單元以及其他各功能模塊之間的連接電纜也應(yīng)單獨(dú)敷設(shè)，以防外界信號(hào)的干擾；第四，交流輸出線和直流輸出線不用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線，且避免并行。4.軟件抗干擾設(shè)計(jì)方案軟件抗干擾技術(shù)所要考慮的因素有如下幾個(gè)方面：一是當(dāng)干擾使運(yùn)行程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序失控或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，采取使程序重新納入正軌的措施，如軟件冗余、軟件陷阱、看門狗等技術(shù)；二是采用軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號(hào)上的噪聲的影響，如數(shù)字濾波技術(shù)；三是一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，能及時(shí)報(bào)告，有條件時(shí)可自動(dòng)糾

15、正，這就是錯(cuò)誤的檢測(cè)和故障診斷。經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證在PLC控制系統(tǒng)中采用如下設(shè)計(jì)方案具有較好的抗干擾效果。開關(guān)量輸入的抗干擾設(shè)計(jì)。當(dāng)控制器的輸入信號(hào)來自外部的開關(guān)量時(shí)，由于噪聲、干擾、誤動(dòng)作等因素的影響導(dǎo)致程序判斷失誤，造成事故。當(dāng)按鈕作為輸入信號(hào)時(shí)，則不可避免會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)瞬間；當(dāng)輸入信號(hào)來自繼電器觸點(diǎn)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)，將會(huì)引起系統(tǒng)誤動(dòng)作。為解決以上問題，可采用定時(shí)器延時(shí)來去掉抖動(dòng)。因此，須在信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)去抖的梯形圖，如圖6所示，采用軟件延時(shí)30ms，在實(shí)際使用時(shí)，定時(shí)時(shí)間的長短，可根據(jù)觸點(diǎn)抖動(dòng)情況和系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度而定，在這個(gè)時(shí)間上作調(diào)整，這樣可保證觸點(diǎn)確實(shí)穩(wěn)定閉合后才執(zhí)行。模擬量輸入的抗干擾設(shè)

16、計(jì)。當(dāng)控制器的輸入信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)，常采用軟件數(shù)字濾波來提高有用信號(hào)的可靠性。常用的濾波方法主要有程序判斷濾波、中值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算數(shù)平均值濾波、去極值平均值濾波等。比如對(duì)于一些有大幅度隨機(jī)干擾的系統(tǒng)，應(yīng)采用程序限幅濾波法，即連續(xù)采樣多次，若某一次采樣值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它幾次采樣的幅值，表明是干擾信號(hào)，應(yīng)去掉。對(duì)于流量、壓力、液面、位移等變化較大的參數(shù)，往往會(huì)在一定范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)，應(yīng)采用算術(shù)平均值濾波法。即用n次采樣的平均值來代替當(dāng)前值。一般情況下：流量n= 12，壓力n=4最合適。對(duì)于緩慢變化的信號(hào)如溫度參數(shù)，可連續(xù)3次采樣，選取居中的采樣值作為有效信號(hào)。對(duì)于具有積分

17、器A/D轉(zhuǎn)換而言，采樣時(shí)間應(yīng)取工頻周期的整數(shù)倍。實(shí)踐證明其抑制工頻干擾能力超過單純積分器的效果。n=3時(shí)的采樣輸入梯形圖如圖7所示，輸入特殊功能模塊為FX-4AD，其模塊編號(hào)為0，M0產(chǎn)生周期為T的脈沖信號(hào)。采樣結(jié)果送D0，每隔T時(shí)間采樣一次，并把采樣值順序送D10、D11、D12保存,取D10、D11、D12中三個(gè)值的平均值當(dāng)作模擬量的輸入值，并送D20保存。系統(tǒng)故障的自診斷設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，控制系統(tǒng)的輸入、輸出元件，如限位開關(guān)、電磁閥、接觸器等故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于控制器的本身故障率，而這些元件出現(xiàn)故障后，控制器一般不會(huì)覺察出來，不會(huì)立即停機(jī)，可能會(huì)使故障進(jìn)一步擴(kuò)大，隨之會(huì)發(fā)生多個(gè)故障，直至強(qiáng)電保護(hù)

18、裝置動(dòng)作后停機(jī)，有時(shí)甚至?xí)斐稍O(shè)備和人身事故，停機(jī)后，查找故障也要花費(fèi)很多時(shí)間，為了方便查找故障，提高維修率，可用梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制器的有些輸入、輸出信號(hào)相互之間存在著確定的關(guān)系。因此，根據(jù)輸出信號(hào)的狀態(tài)與控制過程之間的邏輯關(guān)系，判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常。例如，某機(jī)械設(shè)備的兩個(gè)限位開關(guān)與輸出信號(hào)之間的約束關(guān)系為：；。用M0，M1表示合法狀態(tài)，Y10為報(bào)警輸出。如圖8用邏輯組合判斷法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)自診斷。機(jī)械設(shè)備在各工步的動(dòng)作所需的時(shí)間一般是不變，即使變化也不會(huì)太大。因此，可以以這些時(shí)間為參考，當(dāng)控制器發(fā)出控制信號(hào)，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器的設(shè)定值比正常情況下該動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間長20%，若時(shí)間