淺談單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力的途徑

賈俊霞

[摘 要] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)制造業(yè)取得了顯著的進(jìn)步，PLC作為其中的重要組成部分，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。為了保證工業(yè)設(shè)備的安全、高效運(yùn)行，加強(qiáng)單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力勢(shì)在必行。單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，因此在分析影響其系統(tǒng)的干擾因素時(shí)應(yīng)廣開(kāi)思路，以便找到提高抗干擾能力的途徑。

[關(guān) 鍵 詞] 途徑；措施；系統(tǒng)

一、影響單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)的干擾因素分析

單片機(jī)PLC是一個(gè)控制系統(tǒng)，影響其系統(tǒng)的干擾因素眾多，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1.電源波形畸變干擾

PIE控制系統(tǒng)本身或者電網(wǎng)其他設(shè)備采用的電力半導(dǎo)體器件多為GRT、GTO、IGBT等，使得其在工作時(shí)產(chǎn)生了一些特別的現(xiàn)象，如高次諧波、噪聲、寄生振蕩等，這些因素引起了電網(wǎng)電源發(fā)生了一系列的變化，產(chǎn)生了波形畸變，通過(guò)電源線路對(duì)PLC產(chǎn)生了干擾。

2.電路耦合干擾

在實(shí)際工作中，PLC接地點(diǎn)選擇不當(dāng)或接地不良的狀況時(shí)有發(fā)生，當(dāng)發(fā)生這種狀況時(shí)，回路公共阻抗發(fā)生耦合產(chǎn)生了電流對(duì)PLC產(chǎn)生了干擾。

3.輸入元器件觸點(diǎn)的抖動(dòng)干擾

在實(shí)際工作中，在現(xiàn)場(chǎng)常會(huì)發(fā)生一些強(qiáng)烈震動(dòng)的現(xiàn)象，這就會(huì)導(dǎo)致PLC輸入元器件觸點(diǎn)發(fā)生抖動(dòng)，這種抖動(dòng)常集中在常閉觸點(diǎn)部分，其對(duì)PLC來(lái)說(shuō)是一種錯(cuò)誤的信號(hào)，由此產(chǎn)生了干擾。

4.電容性干擾

在干擾源和干擾對(duì)象PLC之間并不是虛無(wú)的，而是存在著分布的電容耦合，這對(duì)PLC也產(chǎn)生了干擾。

5.電感性干擾

干擾源會(huì)產(chǎn)生一種磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)也被叫做“交變磁場(chǎng)”，其對(duì)干擾對(duì)象（PLC）中的電感性元件耦合會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。

6.波干擾

在人們生活的空間中，存在著電磁場(chǎng)，主要是來(lái)源于雷達(dá)、電臺(tái)、移動(dòng)電話等，其對(duì)PLC產(chǎn)生了波干擾。除此之外，傳導(dǎo)波的傳導(dǎo)電流和傳導(dǎo)電壓也會(huì)對(duì)PLC產(chǎn)生波干擾。

二、加強(qiáng)單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力的措施

1.確定科學(xué)合理的硬件設(shè)計(jì)方案

硬件是加強(qiáng)單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力的重要途徑，通過(guò)科學(xué)合理的硬件設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)抗干擾能力，以保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中對(duì)于內(nèi)外電磁干擾具有一定的免疫能力。想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要從以下幾個(gè)方面來(lái)著手。一方面是重視設(shè)計(jì)階段，在該階段時(shí)就要采取措施進(jìn)行抑制，常用的方法包括三種，分別是抑制干擾源、對(duì)電磁干擾的傳播途徑進(jìn)行切斷或衰減、對(duì)裝置和系統(tǒng)不斷進(jìn)行調(diào)整和完善，以提高其抗干擾能力；另一方面是重視硬件設(shè)計(jì)，在工作中通過(guò)采取合理配置供電電源、對(duì)接地地點(diǎn)進(jìn)行慎重選擇、接地方式和輸入輸出配線也要進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以此來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

（1）對(duì)電源進(jìn)行精心選擇，以優(yōu)良電源來(lái)加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。有些工作人員工作時(shí)，為了節(jié)省時(shí)間或不注意細(xì)節(jié)，往往在采用電源時(shí)會(huì)使其受到電網(wǎng)引入的干擾。目前，在對(duì)PIE系統(tǒng)供電的電源，具有一個(gè)共同的特征，即隔離性能較好，之所以如此選擇，是因?yàn)镻LC本身具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在工作中，只要將PIE 電源與系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行分開(kāi)配線，就能對(duì)抗從電源帶來(lái)的干擾。這些是普通情況，在實(shí)際生活中，其可能會(huì)遇到一些特殊情況，此時(shí)就需要采取相關(guān)的措施來(lái)避免或減少這一干擾因素。當(dāng)電源干擾特別嚴(yán)重時(shí)，采用帶屏蔽層的隔離變壓器供電是抑制這一干擾因素的重要手段，在此基礎(chǔ)上，還可以加接線路濾波器，不僅可以抑制交直流電源侵入的常模和共模瞬變干擾，還可以抑制PLC內(nèi)部開(kāi)關(guān)電源向外輻射噪聲。當(dāng)在實(shí)際工作中，想要在有較強(qiáng)干擾源的環(huán)境中使用PIE，或?qū)LC工作有較高的要求時(shí)，不妨采用新方法，將屏蔽層和PIE浮動(dòng)地端子接地。

（2）因地制宜，采用正確的接地系統(tǒng)。在實(shí)際工作中，建立正確的接地系統(tǒng)具有重要意義，是加強(qiáng)單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要手段之一，應(yīng)引起相關(guān)工作者的重視。之所以進(jìn)行接地，主要是源于兩個(gè)因素的考量，分別是安全和抑制干擾。目前，系統(tǒng)接地方式主要包括三種，分別是浮地、直接接地和電容接地。對(duì)于不同的系統(tǒng)，應(yīng)因地制宜，采用不同的接地方式。對(duì)于單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制裝置決定了它在工作中應(yīng)采用直接接地方式。PIE控制系統(tǒng)接地線并不是隨意進(jìn)行的，而是受信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等因素的影響，使裝置信號(hào)之間的交換頻率往往都處于一個(gè)較低的水平，一般不高于1MHz，使得其在接地時(shí)采用的接地方式通常為用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地。集中布置的PLC系統(tǒng)采用的接地方式則與上述方式不同，主要采用并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)在引向接地極時(shí)，采用單獨(dú)的接地線。如果裝置間距較大時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)變思路，采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。在進(jìn)行接地時(shí)，應(yīng)對(duì)接地線進(jìn)行科學(xué)選擇，一般常用的接地線為一根大截面銅母線或絕緣電纜，通過(guò)這兩種來(lái)連接各裝置的柜體中心接地點(diǎn)，最后將接地母線與接地極進(jìn)行連接。

（3）對(duì)輸入、輸出配線方法進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。對(duì)輸入、輸出配線方法進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)是加強(qiáng)單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要手段之一，應(yīng)引起相關(guān)工作者的重視。在具體實(shí)施過(guò)程中，可以從這幾個(gè)方面著手。第一是在進(jìn)行布線時(shí)，應(yīng)盡量分開(kāi)布線。在PLC控制系統(tǒng)中，線的種類眾多，如PLC電源線、輸入信號(hào)線、輸出信號(hào)線、I/0電源線應(yīng)選擇分開(kāi)布線。開(kāi)關(guān)量信號(hào)線與模擬量信號(hào)線與上述布線方式相同，依然采用分開(kāi)布線的方式，在布線時(shí)，模擬量信號(hào)線采用的線最好是屏蔽線，并且將屏蔽層接地。在布線時(shí)，與模擬量信號(hào)線采用同樣材質(zhì)和接地方式的線還包括數(shù)字傳輸線。由于雙絞線具有獨(dú)特的特征，即電流方向相反、大小相等，可將電流引起的噪聲進(jìn)行抵消，故它的信號(hào)線可以采用兩種方式，分別是雙絞線或屏蔽線；第二是輸入、輸出信號(hào)具有防錯(cuò)功能。在選擇輸入、輸出類型時(shí)，應(yīng)進(jìn)行科學(xué)選擇。如選擇的信號(hào)源為晶體管，或是輸出類型為光電開(kāi)關(guān)時(shí)，在關(guān)斷時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。針對(duì)這一現(xiàn)狀，急需采用合適的輸入、輸出信號(hào)材質(zhì)。PIE的輸入繼電器具有較高的靈敏度，當(dāng)出現(xiàn)漏電流并超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，會(huì)形成誤信號(hào)。同樣，當(dāng)輸出元件為VTH（雙向晶閘管）或是在采用晶體管進(jìn)行輸出時(shí)，如果此時(shí)外部負(fù)載很小，則會(huì)出現(xiàn)微小電流負(fù)載的誤動(dòng)，這主要是源于這類輸出元件在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的漏電流，由此導(dǎo)致輸入與輸出信號(hào)的錯(cuò)誤，不要小看這一錯(cuò)誤，它將會(huì)對(duì)設(shè)備和人造成不良的后果。為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，就需要采用正確的解決方法，即在這類輸入、輸出端采取措施，通過(guò)并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負(fù)載上的電流。

（4）對(duì)電纜敷設(shè)方式進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。為了加強(qiáng)單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力，對(duì)電纜敷設(shè)方式進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑，應(yīng)引起相關(guān)工作者的重視。科學(xué)的電纜敷設(shè)方式，可以有效減少動(dòng)力電纜輻射電磁干擾，對(duì)于變頻裝置饋電電纜更是具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在具體施工過(guò)程中，對(duì)于不同類型的信號(hào)應(yīng)采用不同的電纜進(jìn)行傳輸，信號(hào)電纜在敷設(shè)時(shí)，并不是雜亂無(wú)章的，而是應(yīng)按照傳輸信號(hào)種類來(lái)進(jìn)行分層敷設(shè)，在分層敷設(shè)時(shí)，應(yīng)遵循一定的原則，嚴(yán)禁使用同一電纜的不同導(dǎo)線同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào)，這樣可以避免信號(hào)與動(dòng)力電纜過(guò)于靠近，減少其產(chǎn)生的電磁干擾。為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要采取以下措施：在施工中，敷設(shè)電纜的數(shù)目是有一定講究的，一般分4～5層進(jìn)行敷設(shè)和制作橋架。這些層分別為信號(hào)電纜、控制電纜、動(dòng)力電纜、高壓電纜。這樣的敷設(shè)方式從硬件措施上著手，盡量避免和減少了電磁干擾。

2.對(duì)軟件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以消除電磁干擾的復(fù)雜性

在工作中，人們總是懷揣著一種美好的愿望想完全消除干擾影響，而這是不可能達(dá)到的。雖說(shuō)這一目標(biāo)無(wú)法達(dá)成，但可以通過(guò)諸多措施來(lái)盡量減少干擾影響。因此在單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí)，應(yīng)對(duì)軟件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)這方面的抗干擾處理，使系統(tǒng)的抗干擾能力更上一個(gè)新臺(tái)階，提高其可靠性。提高軟件結(jié)構(gòu)可靠性的措施眾多，常用的方式包括：數(shù)字濾波和工頻整形采樣，對(duì)周期性干擾具有積極影響；對(duì)參考點(diǎn)電位進(jìn)行定時(shí)校正，在此基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)，可有效防止電位漂移的現(xiàn)象發(fā)生；科學(xué)運(yùn)用信息冗余技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件標(biāo)志位等。PLC是一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，其內(nèi)部軟元件眾多，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等，想要提高其抗干擾能力不妨換種思路，從此入手，利用它們來(lái)設(shè)計(jì)一些程序，對(duì)輸入元件的誤信號(hào)進(jìn)行有效屏蔽，以防止輸出元件的誤動(dòng)作，使系統(tǒng)的抗干擾能力更上一個(gè)臺(tái)階。

（1） 對(duì)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤信號(hào)進(jìn)行科學(xué)屏蔽。在現(xiàn)場(chǎng)中，電磁環(huán)境有時(shí)會(huì)異常復(fù)雜，如果此時(shí)只采用硬件措施，將無(wú)法消除干擾的影響。這時(shí)，就需要借助軟件措施來(lái)加以配合。在PLC組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，每一次循環(huán)中，雖然眾多物質(zhì)都在運(yùn)動(dòng)，但也有固定不變的，如各工步的動(dòng)作時(shí)間是不變的，它的不變性也導(dǎo)致行程開(kāi)關(guān)或其他敏感元件，如光電開(kāi)關(guān)也是不變的，它們總是在該工步的同一時(shí)刻發(fā)出信號(hào)。在實(shí)際工作中，可根據(jù)這一特點(diǎn)來(lái)采取措施，通過(guò)對(duì)兩個(gè)定時(shí)器的采樣，來(lái)屏蔽其他時(shí)間可能發(fā)出的誤信號(hào)也就是干擾信號(hào)。在采樣時(shí)，應(yīng)注意選擇合適的時(shí)間，通常是在限定PLC只在該開(kāi)關(guān)正常發(fā)信號(hào)時(shí)進(jìn)行采樣。

（2）對(duì)觸點(diǎn)可能存在的“抖動(dòng)”干擾進(jìn)行科學(xué)消除。在單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)中，外界干擾在所難免，有些輸入元件在接通時(shí)，會(huì)對(duì)觸點(diǎn)產(chǎn)生影響，使其產(chǎn)生斷斷續(xù)續(xù)的“抖動(dòng)”現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象則會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤信號(hào)的發(fā)出。

（3）巧妙利用時(shí)間檢測(cè)提示。機(jī)械設(shè)備在各自工步動(dòng)作時(shí)，所需的時(shí)間往往是固定的，即使偶有變化，也不會(huì)變動(dòng)太大。因此，可以以這些時(shí)間為參考，對(duì)可編程控制器發(fā)出輸出信號(hào)，此時(shí)如果外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始時(shí)，需要進(jìn)行一個(gè)特別的操作，即啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，并設(shè)置定時(shí)器的比值，通常來(lái)說(shuō)，該比值一般要比該動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)，比例大約為20%左右。

單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)的干擾并不是由一個(gè)或幾個(gè)因素來(lái)組成的，而是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。如今，隨著PLC的發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，與之對(duì)應(yīng)的是，它所面臨的干擾因素越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜。此時(shí)，就需要采取多種措施，以有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，為工業(yè)設(shè)備的安全高效工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建，劉偉，李偉.維修電工國(guó)家職業(yè)資格證書(shū)取證問(wèn)答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王兆晶.維修電工技師培訓(xùn)教程[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[3]方承遠(yuǎn).工廠電氣控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[作者單位]陜西省電子信息學(xué)校

（編輯：劉莉琴）