試論抗干擾技術(shù)在工業(yè)PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫祥棋 白旭 王朝慶

摘 要：PLC是適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的控制裝置，它不僅對(duì)惡劣的工業(yè)環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，而且具有穩(wěn)定性和可靠性的特點(diǎn)。但是不可否認(rèn)，PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用會(huì)收到各種因素的影響。本文主要介紹了工業(yè)運(yùn)用中的PLC控制系統(tǒng)的干擾類型，并對(duì)每個(gè)干擾類型提出相應(yīng)的抗干擾對(duì)策。

關(guān)鍵詞：抗干擾技術(shù)；工業(yè)；PLC控制系統(tǒng)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)發(fā)展中的作用越來(lái)越明顯。與其他控制系統(tǒng)相比PLC控制系統(tǒng)的編程相對(duì)簡(jiǎn)單，且PLC控制系統(tǒng)具有功能全面、通用性能好、更加易于擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)。目前被廣泛用于工業(yè)中的PLC控制系統(tǒng)，具有極強(qiáng)的可靠性，更加能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中的惡劣環(huán)境。目前在工業(yè)生產(chǎn)中使用的PLC控制系統(tǒng)，多數(shù)安裝在工業(yè)生產(chǎn)線的主控室，處在十分惡劣的電磁環(huán)境中，非常容易被其他干擾源所干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作，所以必須研究抗干擾技術(shù)保證PLC控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1 干擾PLC控制系統(tǒng)的類型

1.1 空間輻射干擾

空間輻射干擾主要是由電氣設(shè)備、雷電、電力網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等造成的空間輻射電干擾，通常被稱作輻射干擾。針對(duì)這類干擾，通常無(wú)法抑制干擾源，只可以斷開(kāi)或者弱化干擾源的傳播途徑。電氣和電子設(shè)備的高頻率使用造成空間電磁波污染愈演愈烈，此類干擾源造成的輻射波頻率范圍較廣，并且無(wú)規(guī)律可循。空間輻射干擾主要是通過(guò)電磁感應(yīng)的形式通過(guò)系統(tǒng)的導(dǎo)線和殼體等形成電路，從而造成對(duì)PLC控制系統(tǒng)的干擾。如果此時(shí)的PLC控制系統(tǒng)處于干擾源的輻射場(chǎng)內(nèi)，那么其數(shù)據(jù)線、電源線、信號(hào)就可以扮演天線的角色接受干擾源的輻射干擾。這類干擾主要和設(shè)備的布置以及設(shè)備電磁場(chǎng)的大小，尤其是和頻率有關(guān)，通常情況下是通過(guò)屏蔽電纜、PLC控制系統(tǒng)的局部屏蔽以及高壓泄放元件等對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。PLC控制系統(tǒng)在室外被應(yīng)用或者當(dāng)傳輸線路在室外時(shí)，由于雷擊損壞PLC控制系統(tǒng)或者其他相關(guān)的自動(dòng)化設(shè)備的現(xiàn)象較為普遍。

1.2 電源的干擾

工業(yè)用電網(wǎng)絡(luò)是對(duì)PLC控制系統(tǒng)供電的主要渠道。工業(yè)系統(tǒng)的一些大型機(jī)器設(shè)備的啟動(dòng)和停止運(yùn)作等，都具有引起電源欠壓、過(guò)壓、下限、尖峰、浪涌等干擾的可能，此類電壓的噪聲都會(huì)經(jīng)過(guò)電源內(nèi)阻影響PLC控制系統(tǒng)的電路，從而給系統(tǒng)本身帶來(lái)非常大的危害。

1.3 信號(hào)傳輸線的干擾

PLC控制系統(tǒng)可以有效傳輸信息，但是系統(tǒng)本身連接的各種傳輸信號(hào)的線路也經(jīng)常會(huì)受到外部信號(hào)的干擾。從信號(hào)線引入的外部干擾會(huì)導(dǎo)致I/O信號(hào)的工作異常并在很大程度上降低測(cè)量的精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)元器件造成損傷。如果系統(tǒng)的隔離性能不好，還會(huì)造成信號(hào)之間的相互干擾，使共地系統(tǒng)總線回流，導(dǎo)致邏輯數(shù)據(jù)發(fā)生變化、產(chǎn)生誤動(dòng)作嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死機(jī)。

1.4 數(shù)字電路帶來(lái)的干擾

盡管數(shù)字集成電路發(fā)出的直流電流僅僅只有mA級(jí)，但當(dāng)電路在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的干擾。比如：TTL門(mén)電路導(dǎo)通時(shí)從直流電源引出大約5mA的電流，但是在截至?xí)r引出大約1mA。這樣盡管供電電壓較小，但是所帶來(lái)的干擾噪聲卻是十分嚴(yán)重的。

2 抗干擾系統(tǒng)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 接地抗干擾

在抗干擾上接地起到非常大的作用，有效的接地可以保障PLC控制系統(tǒng)的正常工作，能夠有效避免由于偶然發(fā)生的電壓沖擊給系統(tǒng)造成的危害。為了消除電源、輸入、輸出端處的干擾源，必須給PLC控制系統(tǒng)接上專用的地線，接地線應(yīng)當(dāng)與動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)分離，如果無(wú)法達(dá)到這個(gè)要求，那么可以和其它的設(shè)備共同接地，但是必須保證不和其它設(shè)備串聯(lián)接地。PLC控制系統(tǒng)的接地電阻不能低于5Ω，要選用較粗的接地線，面積不能夠少于2平方毫米，并且最好使得接地點(diǎn)接近PLC控制裝置，接地點(diǎn)與裝置之間的間距最好保證在50米以內(nèi)。要最大限度的使得接地線遠(yuǎn)離強(qiáng)回電路，如果不能夠避開(kāi)，則應(yīng)當(dāng)與強(qiáng)回電路垂直相交，要保證減少與強(qiáng)回電路的平行走線。

2.2 電源部分的抗干擾

電源波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電壓變化各毛刺，會(huì)對(duì)PLC和I/O造成不良影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，70%的PLC控制系統(tǒng)的干擾都是電源耦合造成的。為了減少干擾，對(duì)于PLC控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，要保障控制器與I/O系統(tǒng)要由各自單獨(dú)的隔離變壓器進(jìn)行供電，并且要與主電路的電源相分離。這樣，如果部分電源出現(xiàn)了故障，就不會(huì)對(duì)其他部分產(chǎn)生不利影響。比如輸入、輸出供電中斷的情況下，控制器仍舊可以繼續(xù)供電，這樣就保證了系統(tǒng)的可靠性。

2.3 輸入、輸出信號(hào)的抗干擾技術(shù)

應(yīng)當(dāng)選用絕緣型的I/O模塊來(lái)預(yù)防輸入、輸出的信號(hào)受到干擾源干擾。第一，輸入信號(hào)的抗干擾技術(shù)。輸入塊濾波可以用來(lái)減少輸入線之間的差模干擾，控制器的接地可以用來(lái)減少輸入線和大地之間的共模干擾。對(duì)于輸入端的感性負(fù)載，要利用硬件的容錯(cuò)、容差技術(shù)來(lái)預(yù)防因電路信號(hào)突然改變而造成感應(yīng)電勢(shì)的不利影響。第二，輸出電路的抗干擾技術(shù)。PLC控制系統(tǒng)是開(kāi)關(guān)量輸出，可以有晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出三種輸出形式。要具體根據(jù)負(fù)載的要求來(lái)選擇使用哪種輸出方式。如果負(fù)載已經(jīng)超出PLC控制系統(tǒng)的輸出能力，則應(yīng)當(dāng)外界接觸器或者繼電器，方可保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.4 外部配線的抗干擾技術(shù)

由于外部配線間存在護(hù)肝、分布電容，因此在傳送信號(hào)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)竄擾現(xiàn)象。為了能夠減少或者防止外部配線帶來(lái)的干擾，對(duì)于交流輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和直流輸入信號(hào)、輸出信號(hào)都必須分別使用獨(dú)自的電纜。對(duì)于晶體管或者集成電路的輸入輸出信號(hào)線，應(yīng)當(dāng)使用屏蔽電纜。對(duì)于在輸入輸出側(cè)的屏蔽電纜要懸空設(shè)置，而對(duì)于控制器一側(cè)的屏蔽電纜則要接地。在配線時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于低于30米的短距離直流、交流輸入輸出線最好不要使用同一個(gè)電纜，當(dāng)走同一個(gè)配線管時(shí)，要對(duì)輸入信號(hào)使用屏蔽電纜。對(duì)于30到300米距離的配線，直流、交流的輸入輸出線一定要使用單獨(dú)的電纜，且對(duì)于輸入信號(hào)必須要使用屏蔽電纜。針對(duì)超過(guò)300米距離的配線，可以用中間繼電器進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，也可以使用遠(yuǎn)程的I/O通道。應(yīng)當(dāng)將控制器的接地線與動(dòng)力線或者電源線相分離，輸入輸出信號(hào)線與動(dòng)力線、高壓線分開(kāi)。

2.5 軟件抗干擾技術(shù)

雖然通過(guò)硬件的抗干擾技術(shù)能夠消除多數(shù)的干擾信號(hào)，但是因?yàn)楫a(chǎn)生干擾信號(hào)的因素十分繁瑣，還具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，因此難以確保系統(tǒng)完全不受到干擾。所以在采用硬件抗干擾技術(shù)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)采取軟件抗干擾技術(shù)，與硬件抗干擾技術(shù)共同致力于PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)于數(shù)字量輸入輸出的干擾，可以采用指令重復(fù)執(zhí)行的方式來(lái)確定采集結(jié)果時(shí)候相同，如果信號(hào)不同則應(yīng)當(dāng)停止采集信息。為了減少隨機(jī)干擾，還可以使用數(shù)字濾波的方式，減少信號(hào)誤差。

3 總結(jié)

目前PLC控制系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用于工業(yè)中，雖然PLC控制系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)、較穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是由于工業(yè)環(huán)境惡劣使得PLC控制系統(tǒng)的干擾因素有很多。在工作中要十分重視干擾PLC控制系統(tǒng)的因素，并采取相應(yīng)的抗干擾技術(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

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