PLC控制系統設計及抗干擾研究

　　摘 要： PLC控制系統在工業應用中會受到各種干擾。本文介紹了PLC系統設計的原則，并從硬件和軟件的角度提出了一些抗干擾的措施。
　　關鍵詞： PLC控制系統 干擾源 抗干擾措施
　　
　　可編程控制器即PLC，憑借其優越的控制性能，在現代工業中得到了日益廣泛的應用。但工業控制系統中所使用的各種類型PLC，它們大都處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中。為保證PLC能穩定可靠地工作，對PLC系統的設計必須有很高的要求，在設計中應考慮如何提高PLC控制系統的抗干擾能力。我們在PLC應用系統開發的過程中總結了一些經驗，供大家借鑒。
　　一、PLC系統設計時必須遵循的原則
　　任何一種控制系統都是為了實現被控對象的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。因此，在設計PLC控制系統時，我們應遵循以下基本原則。
　　1.最大限度地滿足被控對象的控制要求。
　　設計人員在設計前就要深入現場進行調查研究，收集控制現場的資料。同時也要注意和現場的工程管理人員、工程技術人員、現場操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設計中的重點問題和疑難問題。
　　2.保證PLC控制系統安全可靠。
　　保證PLC控制系統能夠長期安全、可靠、穩定運行，是設計控制系統的重要原則。設計者在系統設計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確保控制系統安全可靠。例如：應該保證PLC程序不僅在正常條件下運行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯等）也能正常工作。
　　3.力求簡單、經濟、使用及維修方便。
　　一個新的控制工程固然能提高產品的質量和數量，帶來巨大的經濟效益和社會效益，但新工程的投入、技術的培訓、設備的維護也將導致運行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面要注意不斷地降低工程的成本。設計者不僅要使控制系統簡單、經濟，而且要使控制系統的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標。
　　4.適應發展的需要。
　　由于技術的不斷發展，控制系統的要求也將會不斷地提高，在設計時要適當考慮到今后控制系統發展和完善的需要。設計者在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點數和內存容量時，要適當留有裕量，以滿足今后生產的發展和工藝的改進。
　　二、PLC控制系統中的主要干擾源
　　PLC控制系統的干擾源大都是由電流或電壓劇烈變化的部位產生的，這些電荷劇烈移動的部位是產生干擾的根本原因。PLC控制系統的干擾源主要有三類。
　　1.空間輻射干擾。
　　空間輻射電磁場主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。若PLC系統置于射頻場內，就會受到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾；二是對PLC通信網絡的輻射，由通信線路感應引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小特別是頻率有關。
　　2.內部型干擾。
　　內部型干擾主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電tQhhvDFPCMQ2LbUgulUk1Q==路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用，等等。
　　3.外部型干擾。
　　（1）電源干擾。PLC系統由電網供電。電網內部的變化，如開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊等，造成電壓畸變都會通過輸電線路傳到PLC控制系統，形成強大的干擾。
　　（2）信號線引入的干擾。與PLC控制系統連接的各類信號傳輸線總會有外部干擾信號侵入。侵入途徑為：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾。對于隔離性能差的系統，將引起共地系統總線回流，造成邏輯數據變化、誤動和死機。
　　（3）接地系統混亂引入的干擾。接地是提高電子設備電磁兼容性的有效手段。正確地接地，能抑制電磁干擾的影響和抑制設備向外發出干擾；錯誤地接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統無法正常工作。PLC控制系統的地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統混亂將引起PLC系統各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環路電流，影響系統正常工作。
　　三、抗干擾措施
　　主要考慮來自系統外部的幾種抑制措施，內容包括：對PLC系統及外引線進行屏蔽，以防空間輻射電磁干擾；對外引線進行隔離、濾波，特別是動力電纜應分層布置，以防通過外引線引入傳導電磁干擾；正確設計接地點和接地裝置，完善接地系統。還必須利用軟件手段，進一步提高系統的安全可靠性。
　　1.從硬件著手加強抗干擾。
　　（1）選擇抗干擾性能好的設備。要選擇有較高抗干擾能力的產品，包括電磁兼容性（EMC），尤其是選擇抗外部干擾能力強的產品。同時，還要了解生產廠給出的抗干擾指標，如共模擬制比、差模擬制比、允許住多大電場強度和多高頻率的磁場強度環境中工作。
　　（2）采用性能優良的電源。電源變壓器是電源部分的主要元件，為了抑制電網中的干擾，一般選用隔離變壓器，且變壓器容量應比實際需要大1.2—1.5倍。在使用中應要求變壓器的屏蔽層良好接地，次級線圈連接線要使用雙絞線，以減少電源線間干擾。對于PLC的控制器電源，如果條件許可，還可在隔離變壓器前增加低通濾波器，用來濾去交流電源中的高頻分量或脈沖電流。對于直流供電，可用電容濾波，消除干擾對PLC系統的影響。變壓器的初級和次級連接線均要使用雙絞線，以減弱干擾信號，增強系統的可靠性。
　　（3）正確選擇接地點。PLC控制系統應采用直接接地方式，最好采用一點接地和串聯一點接地方式。PLC基本單元必須接地，如果選用擴展單元，其接地點與基本單元接地點接在一起。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應給PLC接以專用地線，接地線與動力設備（如電動機）的接地點應分開。若達不到此要求，則可與其他設備公共接地，嚴禁與其他設備串聯接地。
　　（4）科學選擇和敷設電纜。交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出信號應分別使用各自的電纜。集成電路或晶體管設備的輸入、輸出信號線，要使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入輸出側要懸空，而在控制器側要接地。信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各辱蔽層應相互連接好，并經絕緣處理，選擇適當的接地處單點接地。
　　2.輸入輸出信號的抗干擾設計。
　　為了防止輸入、輸出信號受到干擾，應選用絕緣型I/0模塊。
　　（1）輸入信號的抗干擾設計。輸入信號的輸入線之間的差模干擾可以利用輸入模塊濾波來減小干擾，而輸入線與大地間的共模干擾可通過控制器的接地來抑制。在輸入端有感性負載輸入信號抗干擾設計時，為了防止電路信號突變而產生感應電勢的影響，可采用硬件的可靠性容錯和容差設計技術。
　　（2）輸出信號的抗干擾設計。PLC輸出端子若接有感性負載。輸出信號由OFF變為ON或從ON變為OFF時都會有某些電量的突變而可能產生干擾。在設計時應采取相應的保護措施，以保PLC的輸出觸點。
　　3.軟件抗干擾措施。
　　控制器的外部開關量和模擬量輸入信號，由于噪聲、干擾、開關的溟動作及模擬信號誤差等因素的影響，不可避免會產生錯誤，引起程序判斷失誤，造成事故。當按鈕、開關作為輸入信號時，則不可避免產生抖動。輸入信號是繼電器觸點，有時會產生瞬間跳動，引起系統誤動作。因此，可采用定時器延時來去掉抖動，定時時間應根據觸點抖動情況和系統要求的響應速度而定，這樣可保證觸點確實穩定閉合或斷開。
　　
　　對于模擬信號，可采用多種軟件濾波方法來提高數據的可靠性。可連續采樣多次，采樣間隔根據A/D轉換時問和信號的頻率而定，采樣數據先后存放在不同的數據寄存器中，經比較后取中間值或平均值作為當前輸入值。
　　（1）程序判斷濾波適用于采樣信號因受到隨機干擾或傳感器不穩定而引起的失真。設計時根據經驗確定兩次采樣允許的最大偏差。若先后兩次采樣的信號差值大于偏差，表明輸入是干擾信號，應去掉；用上次采樣值作為本次采樣值。否則本次采樣值有效。
　　（2）中值濾波是連續輸入3個采樣信號。從中選擇一個中間值作為有效采樣信號。
　　（3）滑動平均值濾波是將數據存儲器的一個區域（20個單元左右）作為循環隊列，每次采集數據時先去掉隊首的一個數據，再把新數據放人隊尾，然后求其平均值作為有效采樣信號。
　　（4）去極值平均濾波是連續采