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        基于PLC控制系統(tǒng)的抗干擾方法研究

        2015-05-30 22:07:54孫海維
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年12期
        關(guān)鍵詞:PLC控制系統(tǒng)抗干擾分析

        孫海維

        摘 要:通過對PLC控制系統(tǒng)的硬件及軟件的分析,對其產(chǎn)生干擾的主要來源及成因進(jìn)行了具體的探討,從電源、電纜、I/O信號防錯等硬件以及定時器控制采樣、計(jì)數(shù)器、監(jiān)控程序等軟件編程等方面提出了抗干擾的方法和措施,為PLC控制系統(tǒng)更好的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持,同時為PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了有效的借鑒。

        關(guān)鍵詞:PLC控制系統(tǒng);抗干擾;分析

        前言

        PLC是一種常見的控制工業(yè)生產(chǎn)過程的裝置,以其體積小、功能強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個控制系統(tǒng)中,但在實(shí)際的工作環(huán)境中,PLC仍然面對許多特別惡劣的環(huán)境,如現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)電場及強(qiáng)磁場干擾、電源波形的畸變、PLC的輸入及輸出觸點(diǎn)的抖動等,從而導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)無法可靠運(yùn)行,所以提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力是十分必要的。文章根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),從各個方面對PLC控制系統(tǒng)的主要干擾源進(jìn)行了具體的分析,并提出了提高PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力的方法,為工業(yè)生產(chǎn)的過程自動控制提供了有力的技術(shù)參考,同時也為PLC控制系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用提供了重要支撐。

        1 PLC控制系統(tǒng)的干擾來源及危害分析

        對于PLC控制系統(tǒng)來說,影響系統(tǒng)可靠性的原因很多,但最主要的干擾源有四種:電源干擾、空間輻射干擾、I/O信號線干擾以及接地系統(tǒng)混亂干擾。下面對這四種干擾的原因及影響進(jìn)行具體分析。

        1.1 電源的干擾

        電源是干擾PLC控制系統(tǒng)的最主要的源頭之一,主要分為共模干擾和差模干擾,它們引起的諧波會影響PLC控制系統(tǒng)的測量與控制精度,嚴(yán)重時會造成PLC控制系統(tǒng)的失控和誤動作,甚至?xí)斐上到y(tǒng)死機(jī)。近幾年來,變頻器越來越多的出現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場,而變頻器的脈動電流及電網(wǎng)阻抗形成的脈動電壓降會對PLC控制系統(tǒng)的電源形成嚴(yán)重的諧波干擾。

        1.2 空間的輻射干擾

        空間的輻射干擾主要來源于供電網(wǎng)絡(luò)、變頻設(shè)備(高頻感應(yīng)加熱器、變頻器)、大型電氣設(shè)備、整流設(shè)備等。這種空間輻射通過對設(shè)備殼體、導(dǎo)線等的輻射干擾,造成對控制系統(tǒng)的干擾,具體干擾途徑有兩種:一是由電路感應(yīng)產(chǎn)生,直接對PLC內(nèi)部輻射;二是由通信線路的感應(yīng)引入,對PLC的通信內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輻射干擾。

        1.3 I/O信號線接口的干擾

        I/O信號線的輸入、輸出受到干擾會造成邏輯數(shù)據(jù)混亂、錯誤干擾以及死機(jī),有時候會造成元器件損傷。PLC控制系統(tǒng)由于干擾引起的I/O模塊損壞造成的危害要比其他干擾造成的危害大得多。

        1.4 接地線混亂造成的干擾

        PLC控制系統(tǒng)中的接地線有很多種,如系統(tǒng)地線、屏蔽地線、交流地線、保護(hù)地線等,這些接地線的混亂造成各個接地點(diǎn)的電位不一致,從而影響PLC控制系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)儲存,甚至?xí)斐上到y(tǒng)的死機(jī)、測控信號失真以及錯誤動作,影響了整個系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

        2 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施

        在工業(yè)生產(chǎn)過程中,為了保證PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行,通常采用的措施有三種:抑制干擾源、切斷(或衰減)干擾傳播途徑、提高系統(tǒng)的抗干擾能力,在具體進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)時,通常從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        2.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)

        由上文分析的PLC控制系統(tǒng)的干擾源,可以從電源、電纜、I/O信號、接地方式四個方向?qū)LC控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行防干擾設(shè)計(jì),具體如下:(1)電源的設(shè)計(jì)。當(dāng)PLC控制系統(tǒng)在干擾要求較強(qiáng)的場合工作時,可以對PLC的交流電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在電源輸入端加入帶屏蔽層的隔離變壓器和濾波結(jié)構(gòu),通過濾波結(jié)構(gòu)去除共模干擾和差模干擾,通過隔離變壓器抑制外來干擾,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。(2)電纜的選型及布線設(shè)計(jì)。在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,對于不同的信號類型要采用不同型號的電纜傳輸,尤其對于低頻信號、傳輸較遠(yuǎn)的信號、高速信號等,要選擇帶屏蔽的多芯電纜或雙絞線電纜,在電纜布線時,要主動減速電纜的輻射電磁干擾,尤其不要將PLC控制系統(tǒng)的電源線與變頻裝置的線纜鋪設(shè)在一起,應(yīng)該將電線按用途分層鋪設(shè),PLC控制系統(tǒng)的電源線距離其他線纜的距離不得低于200mm。(3)I/O信號線的接口防干擾設(shè)計(jì)。對于I/O信號線,當(dāng)PLC的輸入信號源為晶體管或光電開關(guān)時,輸出元件為雙向晶閘管,可以通過將這類輸入、輸出端作為并聯(lián)旁路電阻來減少PLC的輸入電流及外部負(fù)載的電流,同樣也可以通過在輸入端加入RC濾波環(huán)節(jié)抑制竄入脈沖的干擾,在輸出端并聯(lián)RC電流抑制器,減小漏電流的干擾;當(dāng)輸入線的干擾電源和干擾電流較大導(dǎo)致光電耦合器失效時,可以通過小型繼電器來進(jìn)行隔離;當(dāng)PLC輸出驅(qū)動交流接觸器時,可以在負(fù)載線圈上并聯(lián)RC吸收電路;當(dāng)PLC驅(qū)動直流接觸器時,可以在負(fù)載線圈上并聯(lián)一個二極管吸收反電動勢,抑制干擾。(4)接地線的改進(jìn)設(shè)計(jì)。工業(yè)現(xiàn)場常用的接地方式通常有三種:直接接地方式、浮地方式、電容接地方式,對于PLC控制系統(tǒng)裝置應(yīng)該采用直接接地方式,即將布置PLC控制系統(tǒng)需要接地的各個點(diǎn)以單獨(dú)的接地線從柜體中心接地點(diǎn)引導(dǎo)接地極,保證電位一致,如果裝置的間距太大,要采用較大截面的銅母線從柜體中心接地點(diǎn)連接到接地極,一定要避免多點(diǎn)接地,同時接地線的銅導(dǎo)線截面不得小于22mm2,總母線不得小于60mm2,對于屏蔽線和屏蔽層,如果信號源接地,要將其在信號側(cè)接地,如果信號源不接地,要將其在PLC側(cè)接地。

        2.2 PLC的軟件防干擾設(shè)計(jì)

        由于PLC控制系統(tǒng)的干擾源的復(fù)雜,硬件措施無法完全屏蔽所有的干擾,所以可以利用PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行抗干擾處理,常用的措施有數(shù)字濾波、定時器控制采樣、信息冗余技術(shù)、設(shè)置“看門狗”等。(1)在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時,為了提高信號的信噪比,可以通過軟件濾波的措施提高最終數(shù)據(jù)的可靠性。具體為:軟件可以連續(xù)多次進(jìn)行采樣,采樣間隔根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換時間和信號頻率綜合決定,然后將采樣的結(jié)果分別存到不同的數(shù)據(jù)寄存器中,經(jīng)過邏輯運(yùn)算取中間值或平均值作為最終輸入結(jié)果,提高輸入結(jié)果的可靠性。目前常用的濾波方法有中值濾波、滑動平均值濾波、算數(shù)平均值濾波、去極值平均濾波等。(2)在某些PLC控制系統(tǒng)的工作環(huán)境中,振動比較劇烈,行程開關(guān)或按鈕可能會因?yàn)槎秳佣l(fā)出錯誤信號,通常抖動時間較短,對于這樣的問題可以通過在PLC內(nèi)部設(shè)置定時器進(jìn)行時間延時,從而可以得到消除抖動的可靠信號,達(dá)到了抗干擾的目的。(3)在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時,可以使用冗余信息技術(shù)提高信息的準(zhǔn)確性,如指令重復(fù)執(zhí)行就是根據(jù)需要多次得到命令信號才執(zhí)行,適用于某些開光量或數(shù)字量的輸入/輸出,即PLC控制系統(tǒng)接受到兩次或兩次以上的執(zhí)行信號才視為有效信號,如果多次接受的信號變化不定,就要停止接受,并發(fā)現(xiàn)報(bào)警,從而提高數(shù)據(jù)信號的可靠性,避免誤操作。

        此外我們還以通過使用“看門狗”方法對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,進(jìn)一步提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

        3 結(jié)束語

        文章根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對PLC控制系統(tǒng)可能發(fā)生干擾的原因進(jìn)行了具體的分析,然后從電源優(yōu)化設(shè)計(jì)、電纜的選型及布置、I/O接口、接地方式等硬件以及軟件編程兩個方面對PLC控制系統(tǒng)的防干擾措施進(jìn)行了詳細(xì)的論述,為提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力提供了有力的技術(shù)支撐,但工業(yè)現(xiàn)場情況非常復(fù)雜,PLC控制系統(tǒng)的抗干擾方法應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)取舍,綜合利用軟、硬件方法達(dá)到最佳效果。

        參考文獻(xiàn)

        [1]徐國徽,吳金強(qiáng).PLC應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾措施研究[J].機(jī)械工程與自動化,2009(3):160-162.

        [2]鐘強(qiáng),張杰.淺談PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2010(9):7-8.

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