電子論文發表簡述PLC抗干擾技術

　　工業控制系統中所使用的各種類型PLC,它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中,雖然PLC是專門為工業生產環境而設計的控制裝置,具有較強的適應惡劣工業環境的能力、運行的穩定性和較高的可靠性,但是由于它直接和現場的I/O設備相連,外來干擾很容易通過電源線或I/O傳輸線侵入,從而引起控制系統的錯誤動作。

　　《集成技術》系由中國科學院主管，中國科學院深圳先進技術研究院為第一主辦單位，科學出版社有限責任公司為第二主辦單位及出版單位的學術期刊。于2011年10月經新聞出版總署批準創辦。國內統一連續出版號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部干擾。外部干擾與系統結構無關,是隨機的,且干擾源是無法消除的,只能針對具體情況加以限制;內部干擾與系統結構有關,主要通過系統內交流主電路,模擬量輸入信號等引起,可合理設計系統線路來削弱和抑制內部干擾和防止外部干擾。

　　2 PLC系統的基本組成結構

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

　　3 抗干擾的技術對策分析

　　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,切斷干擾對系統的耦合通道,降低系統對干擾信號的敏感性。軟件抗干擾技術作為硬件措施的輔助手段,減少隨機性信號的干擾,其設計簡單、修改靈活、耗費資源少,在PLC測控系統中同樣獲得了廣泛的應用。

　　3.1硬件抗干擾對策

　　3.1.1電源系統引入的干擾對策

　　電網的干擾、頻率的波動,將直接影響到PLC系統的可靠性與穩定性。如何抑制電源系統的干擾是提高PLC的抗干擾性能的主要環節。

　　(1)加裝濾波、隔離、屏蔽、開關穩壓電源系統

　　濾波器可抑制干擾信號從電源線傳導到系統中。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分別加屏蔽層,初級的屏蔽層接交流電網的零線;次級的屏蔽層和初級間屏蔽層接直流端。開頭穩壓電源可抑制電網大容量設備起停引起電網電壓的波動,保持供電電壓的穩壓。

　　(2)分離供電系統

　　PLC的控制器與I/O系統分別由各自的隔離變壓器供電,并與主電源分開,這樣當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部噪聲的耦合,防止外部干擾的侵入,提高系統的抗干擾能力。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。接地線與動力設備的接地點應分開,若達不到此要求,則可與其它設備公共接地,嚴禁與其它設備串聯接地。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,接地線應避開強電回路,若無法避開時,應垂直相交,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

　　為了實現輸入輸出電路上的完全隔離,近年來在控制系統中廣泛應用光電耦合。光電耦合器具有以下特點:首先,由于是密封在一個管殼內,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系;第三,發光二極管動態電阻非常小,而干擾源的內阻一般很大,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,而光電耦合器的發光二極管只有在通過一定的電流時才能發光。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,仍不能使發光二極管發光,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,適用于外部干擾嚴重的環境,當外部設備電流較大時,其傳輸距離可達100~200m。(d)考慮到COMS電路的輸出驅動電流較小,不能直接帶動發光二極管,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,當輸出電路所驅動的元件較多時,可以加接一級晶體管作為驅動功率放大,如(c)所示。有時為了獲得更好的輸出波形,輸出信號可經施密特電路整形。

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

　　3.1.4外部配線的抗干擾設計

　　外部配線之間存在著互感和分布電容,進行信號傳送時會產生竄擾。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。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換信號,或使用遠程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,常采用軟件數字濾波來提高有用信號真實性。對于有大幅度隨機干擾的系統,采用程序限幅法,即連續采樣5次,若某一次采樣支援遠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,往往在一定范圍內頻繁波動,則采用算術平均法。

　　(1)信號保護和恢復:當偶爾性故障發生時,不破壞PLC內部的信息,一旦故障現象消失,就可以恢復正常,繼續原來的工作。

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

　　(3)加強對程序的檢查和校驗:一旦程序有錯,立即報警,并停止執行程序。

　　(4)設置警戒時鐘WDT:如果程序循環掃描執行時間超過了WDT規定的時間,預示了程序進入死循環,立即報警。

　　4 結束語

　　隨著PLC應用范圍的逐漸擴大,加之系統惡劣的工作環境,它所要克服的干擾就會越來越多,盡管PLC本機的可靠度很高。但是在系統設計和安裝時,仍必須對環境作全面的分析,確定干擾的性質,采取相應的抗干擾措施,以保證系統長期穩定的工作。