獨家原創(chuàng):論PLC控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

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摘要：隨著工業(yè)設(shè)備自動化控制技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器(plc)在工業(yè)設(shè)備控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。本文詳細介紹擻跋PLC運行的干擾類型及來源，并提出抗干擾設(shè)計的實施策略。

關(guān)鍵詞:PIC；抗干擾；輸入輸出；電路設(shè)計

引言

PLC由于具有功能強、程序設(shè)計簡介，維護方便等優(yōu)點，特別是高可靠性、較強的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，已被廣泛應(yīng)用于自來水行業(yè)。但由于現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣、濕度高、以及各種工業(yè)電磁、輻射干擾等，會影響系統(tǒng)的正常工作,因此必須重視工程的抗干擾設(shè)計。一、影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素

PLC控制系統(tǒng)的可靠性通常用平均故障間隔時間（MeanTimeBetweenFailure，簡稱WIBF）來衡量。它表示系統(tǒng)從發(fā)生故障進行修理到下一次發(fā)生故障的時間間隔的平均值。PLC裝置本身是非常可靠的，而PLC控制系統(tǒng)的干擾主要是外部環(huán)節(jié)和硬件配置不當(dāng)引起的。一是電源側(cè)的工頻干擾，它由電源進入PLC裝置，造成系統(tǒng)工作不正常;二是線路傳輸中的靜電或磁場耦合干擾，以及周圍高頻電源的輻射干擾，靜電耦合是通過信號線與電源線之間的寄生電容，磁場耦合發(fā)生在長布線中線間的寄生互感上，高頻輻射是通過高頻交變磁場與信號間的寄生電容;三是PLC控制系統(tǒng)的接地系統(tǒng)不當(dāng)引起的干擾。因此，在實際設(shè)計中往往從以下幾個方面考慮：（1）對程序和數(shù)據(jù)的保護;（2）對工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性;（3）故障安全原則，系統(tǒng)間獨立性原則與冗余及容錯結(jié)構(gòu);（4）運行時的實時性和連續(xù)性。

二、干擾的主要來源

（一）來自空間的輻射干擾

空間輻射電磁場(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的,通常稱為輻射干擾,其分布極為復(fù)雜。若PLC系統(tǒng)置于其射頻場內(nèi),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(nèi)部的輻射,由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾;二是對PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射,由通信線路感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小特別是頻率有關(guān),一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護

（二）來自系統(tǒng)外引線的干擾

主要通過電源和信號線引入,通常稱為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較為嚴重,主要有下面三類：

第一類是來自電源的干擾。實踐證明,因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多,筆者在某工程調(diào)試中遇到過,后更換隔離性能更高的PLC電源問題才得到解決。

第二類是來自信號線引入的干擾。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線,除了傳輸有效的各類信息之外,總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：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(wǎng)干擾,這往往被忽視;二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾,即信號線上的外部感應(yīng)干擾,這種往往非常嚴重。

第三類是來自接地系統(tǒng)混亂的干擾。接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一,正確的接地既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾;而錯誤的接地反而會引入嚴重的干擾信號,使PLC系統(tǒng)無法正常工作。PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等,接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是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(huán)路電流,影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地,如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地,就存在地電位差,有電流流過屏蔽層。當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時,地線電流將更大。

（三）來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生,如邏輯電路相互輻射、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。這都屬于PLC制造廠家對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容,比較復(fù)雜,作為應(yīng)用部門無法改變,可不必過多考慮,但要選擇具有較多應(yīng)用實績或經(jīng)過考驗的系統(tǒng)。

三、干擾的主要措施

（一）電源系統(tǒng)引入的干擾

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)。

設(shè)置濾波器的作用是為了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，必須注意: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。

為了抑制電網(wǎng)大容量設(shè)備起停(如送水泵等)引起電網(wǎng)電壓的波動，保持供電電壓的穩(wěn)壓，可采用開頭穩(wěn)壓電源。

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。如下圖所示。

（二）抑制接地系統(tǒng)引入的干擾

PLC系統(tǒng)分為邏輯電路接地和功率電路接地，有共地、浮地及機殼共地和電路浮地等三種方式。一般采用控制器與其它設(shè)備分別接地方式最好，接地時注意:接地線盡量粗，一般大于2mm2的線接地;接地點應(yīng)盡量靠近控制器，接地點與控制器之間的距離不大于50m;接地線應(yīng)盡量避開強電回路和主回路的電線，不能避開時，應(yīng)垂直相交，應(yīng)盡量縮短平行走線的長度。

實踐證明，接地往往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。

（三）抑制輸入輸出電路引入的干擾

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)中光電耦合得到廣泛應(yīng)用，已成為防止干擾的最有效措施之一。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。由于光電耦合器的線性區(qū)一般只能在某一特定的范圍內(nèi)，因此，應(yīng)保證被傳信號的變化范圍始終在線性區(qū)內(nèi)。為了保證線性耦合，既要嚴格挑選光電耦合器，又要采取相應(yīng)的非線性較正措施，否則將產(chǎn)生較大的誤差。

1、光電耦合輸入電路下圖所示

其中圖(a)、圖(b)用的較多，高電平時接成形式，低電平輸入時接成形式。圖(c)為差動型接法，它具有兩個約束條件，對于防止干擾有明顯的優(yōu)越性，適用于外部干擾嚴重的環(huán)境，當(dāng)外部設(shè)備電流較大時，其傳輸距離可達100~200m，圖(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，所以加接一級晶體管作為功率放大，需要注意的是圖中發(fā)光二極管和光敏三極管應(yīng)分別由兩個電源供電，電阻值視電壓高低選取。

光電耦合輸入電路

2、光電耦合輸出電路下圖所示。為了得到和輸入同相的信號，可以采用圖(a)形式。若要求輸出和輸入反相，可以接成圖(b)形式。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，其接法如圖(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。

光電耦合輸出電路

(四)輸入信號的抗干擾

輸入設(shè)備的輸入信號的線間干擾(差模干擾)用輸入模塊的濾波器可以使其衰減，然而，輸入信號線與地問的共模十?dāng)_在控制器內(nèi)部回路產(chǎn)生的電位差仍會引起控制器誤動作。因此，為了抗共模F擾，控制器要良好接地。當(dāng)輸入信號源為感性元件，輸出負載的負載特性為感性元件時，為了防止反沖感應(yīng)電勢或浪涌電流損壞模塊，對于交流輸入信號在負載倆端并聯(lián)電容C和電阻R，對于直流輸入信號并聯(lián)續(xù)流二極管VD，如下圖所示。在圖(a)中R、C參數(shù)一般選擇為120Ω+0．1μF(當(dāng)負荷容量<10V•A時)或47Ω+0.471μF(當(dāng)負荷容量>10V•A時)。在圖(b)中，二極管的額定電流選為1A，額定電壓要大于電源電壓的3倍。對于感應(yīng)電壓的干擾，采用輸入電壓直流化或輸入端并接浪涌吸收器的方法抑制。

(五)輸出信號的抗干擾設(shè)計

交流感性負載場合下，在負載兩端并接浪涌吸收器；直流負載場合下，在負載兩端并接續(xù)流二極管VD，以抑制輸出信號的干擾，如圖所示。在下圖(a)中，RC越靠近負載，抗干擾效果越好。當(dāng)PLC的輸出驅(qū)動的負載為電磁閥這類元件時，可在輸出端和電磁閥之間加固態(tài)繼電器(SSR)進行隔離。另外，從抗干擾的角度出發(fā)，適當(dāng)選擇I／0模塊也是很重要的。在干擾多的場合，可選用絕緣型的I／O模塊和裝有浪涌吸收器的模塊，可以有效地抑制輸入輸出信號地干擾。

（6）輸入輸出信號漏電流處理

當(dāng)輸入信號源為晶體管，或是光電開關(guān)輸出類型時，當(dāng)輸出元件為雙向，或是晶體管輸出而外部負載又很小時會因為這類輸出元件在關(guān)斷時有較大地漏電流，使輸入電路和外部負載電路不能關(guān)斷，導(dǎo)致輸入與輸出信號地錯誤。為此，在這類輸入、輸出端要并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負載上的電流，如下圖所示。

圖中旁路電阻可按以下方式計算：

R式中：Um為輸入信號源或外部負載電壓的最大值；

l1為輸入信號源或輸出晶閘管最大漏電流；

ln為輸入點或外部負載的額定電流。

(七)輸入輸出信號的防錯

當(dāng)輸入信號源為晶體管，或是光電開關(guān)輸出類型時，在關(guān)斷時仍有較大的漏電流。而PLC的輸入繼電器靈敏度較高，如漏電流干擾超過一定值，就形成了誤信號。同樣，當(dāng)輸出元件為VTH（雙向晶閘管）或是晶體管輸出，而外部負載又很小時，會因為這類輸出元件在關(guān)斷時有較大的漏電流，引起微小電流負載的誤動，導(dǎo)致輸入與輸出信號的錯誤，給設(shè)備和人身造成不良后果。解決辦法是在這類輸入、輸出端并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負載上的電流，電路接線下圖所示。圖中，旁路電阻按下式求出：

Um

R<

Il﹣0.5IN

式中，Il——輸入信號源或輸出晶閘管最大漏電流；

Um——輸入信號電壓或外部負載電壓最大值

IN——輸入點或外部負載的額定電流。

還有一種方法是在PLC輸入端加RC濾波環(huán)節(jié)，利用RC的延遲作用來抑制竄入脈沖所引起的干擾。在晶閘管輸出的負載兩端并聯(lián)RC浪涌電流抑制器，減小漏電流的干擾。

四、結(jié)論

PLC控制系統(tǒng)的干擾是一個十分復(fù)雜的問題,隨著PLC在電廠的應(yīng)用越來越廣泛，它所要克服的干擾越來越多，越來越復(fù)雜。因此在抗干擾設(shè)計中應(yīng)綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制干擾,對有些干擾情況還需做具體分析,采取對癥下藥的方法,才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作,保證工業(yè)設(shè)備安全高效運行。

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