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[技术]PLC控制系统的抗干扰措施

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文章出处:Control Engineering China [2007-3-8 1]
责任编辑:上仪营销中心技术部
作者:贾荣丛 王划一
概述

  自动化系统中所使用的各种类型PLC,有的是集中安装在控制室,有的是分散安装在生产现场的各单机设备上,虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中,但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置,在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施,故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性,因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用,但是由于它直接和现场的I/O设备相连,外来干扰很容易通过电源线 或I/O传输线侵入,从而引起控制系统的误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。在实际的生产环境下,外部干扰是随机的,与系统结构无关,且干扰源是无法消除的,只能针对具体情况加以限制;内部干扰与系统结构有关,主要通过系统内交流主电路,模拟量输入信号等引起,可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。要提高PLC控制系统的可靠性,就要从多方面提高系统的抗干扰能力。

  分析硬件电路,提出硬件抗干扰措施

  1PLC控制系统的安装和使用环境

  PLC是专为工业控制设计的,一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但是在PLC控制系统中,如果环境过于恶劣,或安装使用不当,会降低系统的可靠性。PLC使用环境温度通常在0℃ 55℃范围内,应避免太阳光直接照射,安装位置应远离发热量大的器件,同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于85%,以保证PLC有良好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合,需将PLC封闭安装。此外,如果PLC安装位置有强烈的振动源,系统的可靠性也会降低,所以应采取相应的减振措施。

  2 PLC的电源与接地

  PLC本身的抗干扰能力一般都很强。通常,只能将PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线,对于电源线来的干扰,一般都有足够强的抑制能力。但是,如果遇上特殊情况,电源干扰特别严重,可加接一个带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰,提高系统的可靠性。如果一个系统中含有扩展单元,则其电源必须与基本单元共用一个开关控制,也就是说,它们的上电与断电必须同时进行。良好的接地是保证PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰,应给PLC接专用地线,并且接地点要与其它设备分开,如图1a)。若达不到这种要求,也可采用公共接地方式,如图1b)。但是禁止采用串联接地方式,如图1c),因为它会使各设备间产生电位差而引入干扰。此外,接地线要足够粗,接地电阻要小,接地点应尽可能靠近PLC
1  PLC的接地

接地的目的通常有两个,其一为了安全,其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗干扰的重要措施之一。接地在消除干扰上起很大的作用。这里的接地是指决定系统电位的地,而不是信号系统归路的接地。在PLC控制系统中有许多悬浮的金属架,它们是惧空中干扰的空中线,需要有决定电位的地线。交流地是PLC控制系统供电所必需的,它通过变压器中心点构成供电两条回路之一。这条回路上的电流、各种谐波电流等是个严重的干扰源。因此交流地线、直流地线、模拟地和数字地等必须分开。数字地和模拟地的共点地最好置悬浮方式。地线各点之间的电位差尽可能小,尽量加粗地线,有条件可采用环形地线。系统地端子(LG)是抗干扰的中性端子,通常不需要接地,可是,当电磁干扰比较严重时,这个端子需与接大地的端子(GR)连接。

  3 PLC的输入、输出设备  

    输入电路是PLC接受开关量、模拟量等输入信号的端口,其元器件质量的优劣、接线方式及是否牢靠也是影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量输入为例,按钮、行程开关的触点接触要保持在良好状态,接线要牢固可靠。机械限位开关是容易产生故障的元件,设计时,应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外,按钮触点的选择也影响到系统的可靠性。在设计电路时,应尽量选用可靠性高的元器件,对于模拟量输入信号来说,常用的有420mA020mA直流电流信号;05V010V直流电压信号,电源为直流24V

  对于开关量输出来说,PLC的输出有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式,具体选择哪种形式的输出应根据负载要求来决定,选择不当会使系统可靠性降低,严重时导致系统不能正常工作。如晶闸管输出只能用于交流负载,晶体管输出只能用于直流负载。此外,PLC的输出端子带负载能力是有限的,如果超过了规定的最大限值,必须外接继电器或接触器,才能正常工作。外接继电器、接触器、电磁阀等执行元件的质量,是影响系统可靠性的重要因素。常见的故障有线圈短路、机械故障造成触点不动或接触不良。这一方面可以通过选用高质量的元器件来提高可靠性,另一方面,在对系统可靠性及智能化要求较高的场合,可以根据电路中电流异常的情况对输出单元的一些重点部位进行诊断,当检测到异常信号时,系统按程序自动转入故障处理,从而提高系统工作的可靠性。若PLC输出端子接有感性元件,则应采取相应的保护措施,以保护PLC的输出触点。

  为了防止或减少外部配线的干扰,交流输入、输出信号与直流输入、输出应分别使用各自的电缆;对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆,屏蔽电缆在输入、输出侧悬空,而在控制侧接地,其处理方式如图2

软件抗干扰措施
  
   
硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统,但由于干扰存在的随机性,尤其是在工业生产环境下,硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外,这时,可以发挥软件的灵活性与硬件措施相结合来提高系统的抗干扰能力。
  
    1
、利用"看门狗"方法对系统的运动状态进行监控

    PLC内部具有丰富的软元件,如定时器、计数器、辅助继电器等,利用它们来设计一些程序,可以屏蔽输入元件的误信号,防止输出元件的误动作。在设计应用程序时,可以利用"看门狗"方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件时,编程时可定义一个定时器作"看门狗"用,对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值,为运动部件所需要的最大可能时间。在发出该部件的动作指令时,同时启动"看门狗"定时器。若运动部件在规定时间内达到指定位置,发出一个动作完成信号,使定时器清零,说明监控对象工作正常;否则,说明监控对象工作不正常,发出报警或停止工作信号。

    2 、消抖

  在振动环境中,行程开关或按钮常常会因为抖动而发出误信号,一般的抖动时间都比较短,针对抖动时间短的特点,可用PLC内部计时器经过一定时间的延时,得到消除抖动后的可靠有效信号,从而达到抗干扰的目的。
  
    3
、用软件数字滤波的方法提高输入信号的信噪比

  为了提高输入信号的信噪比,常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统,采用程序限幅法,即连续采样五次,若某一次采样值远远大于其它几次采样的幅值,那么就舍去之。对于流量、压力、液面、位移等参数,往往会在一定范围内频繁波动,则采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般认为:流量n= 12,压力n=4最合适。对于缓慢变化信号如温度参数,可连续三次采样,选取居中的采样值作为有效信号。对于具有积分器A/D转换来说,采样时间应取工频周期(20ms)的整数倍。实践证明其抑制工频干扰能力超过单纯积分器的效果。

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