電子論文發(fā)表簡述PLC抗干擾技術(shù)

　　工業(yè)控制系統(tǒng)中所使用的各種類型PLC,它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中,雖然PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計的控制裝置,具有較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力、運行的穩(wěn)定性和較高的可靠性,但是由于它直接和現(xiàn)場的I/O設(shè)備相連,外來干擾很容易通過電源線或I/O傳輸線侵入,從而引起控制系統(tǒng)的錯誤動作。

　　《集成技術(shù)》系由中國科學(xué)院主管，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為第一主辦單位，科學(xué)出版社有限責(zé)任公司為第二主辦單位及出版單位的學(xué)術(shù)期刊。于2011年10月經(jīng)新聞出版總署批準(zhǔn)創(chuàng)辦。國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版號CN44-1691/T，是一本大16開中文雙月刊。

　　1 前言

　　PLC受到的干擾可分為外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān),是隨機(jī)的,且干擾源是無法消除的,只能針對具體情況加以限制;內(nèi)部干擾與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān),主要通過系統(tǒng)內(nèi)交流主電路,模擬量輸入信號等引起,可合理設(shè)計系統(tǒng)線路來削弱和抑制內(nèi)部干擾和防止外部干擾。

　　2 PLC系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)

　　可編程控制器硬件系統(tǒng)由PLC、功能I/O單元和外部設(shè)備組成,如圖1所示。其中PLC由CPU、存儲器、基本I/O模塊、I/O擴(kuò)展接口、外設(shè)接口和電源等部分組成,各部分之間由內(nèi)部系統(tǒng)總線連接。

　　3 抗干擾的技術(shù)對策分析

　　為防止干擾,可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中,硬件抗干擾是主要的抗干擾措施,一般從抗和防兩方面入手來抑制和消除干擾源,切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道,降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。軟件抗干擾技術(shù)作為硬件措施的輔助手段,減少隨機(jī)性信號的干擾,其設(shè)計簡單、修改靈活、耗費資源少,在PLC測控系統(tǒng)中同樣獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　3.1硬件抗干擾對策

　　3.1.1電源系統(tǒng)引入的干擾對策

　　電網(wǎng)的干擾、頻率的波動,將直接影響到PLC系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。如何抑制電源系統(tǒng)的干擾是提高PLC的抗干擾性能的主要環(huán)節(jié)。

　　(1)加裝濾波、隔離、屏蔽、開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)

　　濾波器可抑制干擾信號從電源線傳導(dǎo)到系統(tǒng)中。使用隔離變壓器,屏蔽層要良好接地;次級連接線要使用雙繞線(減少電線間的干擾),隔離變壓器的初級繞組和次級繞組應(yīng)分別加屏蔽層,初級的屏蔽層接交流電網(wǎng)的零線;次級的屏蔽層和初級間屏蔽層接直流端。開頭穩(wěn)壓電源可抑制電網(wǎng)大容量設(shè)備起停引起電網(wǎng)電壓的波動,保持供電電壓的穩(wěn)壓。

　　(2)分離供電系統(tǒng)

　　PLC的控制器與I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離變壓器供電,并與主電源分開,這樣當(dāng)輸入輸出供電斷電時,不會影響到控制器的供電。

　　3.1.2接地抗干擾對策

　　接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合,防止外部干擾的侵入,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。給PLC接以專用地線可抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾。接地線與動力設(shè)備的接地點應(yīng)分開,若達(dá)不到此要求,則可與其它設(shè)備公共接地,嚴(yán)禁與其它設(shè)備串聯(lián)接地。接地電阻要小于5Ω,接地線要粗,面積要大于2平方毫米,而且接地點最好靠近PLC裝置,其間的距離要小于50米,接地線應(yīng)避開強(qiáng)電回路,若無法避開時,應(yīng)垂直相交,縮短平行走線的長度。

　　3.1.3抑制輸入輸出電路引入的干擾對策

　　為了實現(xiàn)輸入輸出電路上的完全隔離,近年來在控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用光電耦合。光電耦合器具有以下特點:首先,由于是密封在一個管殼內(nèi),不會受到外界光的干擾;其次,由于靠光傳送信號,切斷了各部件電路之間地線的聯(lián)系;第三,發(fā)光二極管動態(tài)電阻非常小,而干擾源的內(nèi)阻一般很大,能夠傳送到光電耦合器輸入輸出的干擾信號就變得很小;第四,光電耦合器的傳輸比和晶體管的放大倍數(shù)相比,一般很小,遠(yuǎn)不如晶體管對干擾信號那么靈敏,而光電耦合器的發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時才能發(fā)光。因此,即使是在干擾電壓幅值較高的情況下,由于沒有足夠的能量,仍不能使發(fā)光二極管發(fā)光,從而可以有效地抑制掉干擾信號。

　　(1)光電耦合輸入電路如圖2所示。其中(a)、(b)用的較多,(a)為高電平時接成形式,(b)為低電平輸入時接成形式。(c)為差動型接法,適用于外部干擾嚴(yán)重的環(huán)境,當(dāng)外部設(shè)備電流較大時,其傳輸距離可達(dá)100~200m。(d)考慮到COMS電路的輸出驅(qū)動電流較小,不能直接帶動發(fā)光二極管,加接一級晶體管作為功率放大。

　　(2)光電耦合輸出電路如圖3所示。(a)為同相輸出,(b)為反相輸出,當(dāng)輸出電路所驅(qū)動的元件較多時,可以加接一級晶體管作為驅(qū)動功率放大,如(c)所示。有時為了獲得更好的輸出波形,輸出信號可經(jīng)施密特電路整形。

　　以上兩點是對開關(guān)量輸入輸出信號的處理方法,而對模擬輸入輸出信號,為了消除工業(yè)現(xiàn)場瞬時干擾對它的影響,除加A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路和光電耦合外,可根據(jù)需要采取軟件的數(shù)字濾波技術(shù)如中值法、一階遞推數(shù)字濾波法等算法。

　　3.1.4外部配線的抗干擾設(shè)計

　　外部配線之間存在著互感和分布電容,進(jìn)行信號傳送時會產(chǎn)生竄擾。為了防止或減少外部配線的干擾,交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出信號應(yīng)分別使用各自的電纜。集成電路或晶體管設(shè)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(cè)要懸空,而在控制器側(cè)要接地。配線時在30m以下的短距離,直流和交流輸入、輸出信號線最好不要使用同一電纜,如果要走同一配線管時,輸入信號要使用屏蔽電纜。30~300m距離的配線時,直流和交流輸入、輸出信號線要分別使用各自的電纜,并且輸入信號線一定要用屏蔽線。對于300m以上長距離配線時,則可用中間繼電器轉(zhuǎn)換信號,或使用遠(yuǎn)程I/O通道。對于控制器的接地線要與電源線或動力線分開,輸入、輸出信號線要與高電壓、大電流的動力線分開配線。

　　3.2軟件抗干擾措施

　　為了提高輸入信號的信噪比,常采用軟件數(shù)字濾波來提高有用信號真實性。對于有大幅度隨機(jī)干擾的系統(tǒng),采用程序限幅法,即連續(xù)采樣5次,若某一次采樣支援遠(yuǎn)大于其他幾次采樣的幅值,那么就舍取之。對于流量、壓力、液面、位移等參數(shù),往往在一定范圍內(nèi)頻繁波動,則采用算術(shù)平均法。

　　(1)信號保護(hù)和恢復(fù):當(dāng)偶爾性故障發(fā)生時,不破壞PLC內(nèi)部的信息,一旦故障現(xiàn)象消失,就可以恢復(fù)正常,繼續(xù)原來的工作。

　　(2)故障診斷:系統(tǒng)軟件定期地檢測外界環(huán)境,如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強(qiáng)干擾信號等,以便及時反映和處理。

　　(3)加強(qiáng)對程序的檢查和校驗:一旦程序有錯,立即報警,并停止執(zhí)行程序。

　　(4)設(shè)置警戒時鐘WDT:如果程序循環(huán)掃描執(zhí)行時間超過了WDT規(guī)定的時間,預(yù)示了程序進(jìn)入死循環(huán),立即報警。

　　4 結(jié)束語

　　隨著PLC應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大,加之系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境,它所要克服的干擾就會越來越多,盡管PLC本機(jī)的可靠度很高。但是在系統(tǒng)設(shè)計和安裝時,仍必須對環(huán)境作全面的分析,確定干擾的性質(zhì),采取相應(yīng)的抗干擾措施,以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作。