在工業(yè)中應(yīng)用PLC如何采用抗干擾措施

1、在工業(yè)中應(yīng)用PLC如何采用抗干擾措施徐 永 強(qiáng)（唐山首信自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司 京唐運(yùn)行事業(yè)部，唐山 063000）摘要：本文分析了與PLC可靠運(yùn)行有關(guān)的各個(gè)干擾因素,提出了克服這些因素的影響方案,探討了提高控制系統(tǒng)可靠性硬軟件措施。并強(qiáng)調(diào)了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，必須對(duì)環(huán)境作全面分析，確定干擾性質(zhì),為防止干擾,除了從硬件電路上設(shè)計(jì),還可以從軟件編程上采取抗干擾措施。關(guān)鍵詞：PLC抗干擾 硬件措施 軟件措施Application PLC in the industry with anti-interference measuresXu Yong Qiang(Jingtang Maintenance

2、 Department, Tangshan ShouGang Automation & Information Technology Co.,Ltd.,Tangshan 063000)Abstract：This article Analyzing the relevant and reliable operation of the PLC and the various factors , put forward the interference favtors affecting scheme to overcome these,discusses how to improve co

3、ntrol system hardware and software reliability.Andthe system design and installlation of the environment must be determinrd interference,comprehensive analysis,in order to prevent the work,except from the hardware circuit design,also can be taken from a software anti-interference measures in program

4、ming.Keywords：PLC anti-jamming hardware measures oftware measures 0 前言PLC是以微處理器為基礎(chǔ),綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)，面向控制過(guò)程、面向用戶，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，操作方便的數(shù)字式電子裝置。它使用可以編程的記憶單元來(lái)存儲(chǔ)指令，執(zhí)行數(shù)字和邏輯運(yùn)算，并通過(guò)數(shù)字量的輸入、輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制。就PLC本身來(lái)說(shuō),在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中廠家已采取了多層次抗干擾措施,具有一定穩(wěn)定性和可靠性,但由于PLC的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越廣,應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,所受的干擾也就越來(lái)越多。如來(lái)自電源波形的畸變、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾、接地電阻的耦

5、合、輸入元件的抖動(dòng)等各種形式的干擾，都可能使系統(tǒng)不能正常工作。因此，研究PLC控制系統(tǒng)抗干擾信號(hào)的來(lái)源、成因及其抑制措施，對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性具有重要意義。1 PLC應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題1.1 工作環(huán)境(1)溫度。PLC要求環(huán)境溫度在055，安裝時(shí)不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。(2)濕度。為了保證PLC絕緣性能,空氣相對(duì)濕度應(yīng)小于85%(無(wú)凝露)。(3)震動(dòng)。 應(yīng)使PLC遠(yuǎn)離強(qiáng)烈震動(dòng)源,防止振動(dòng)頻率在1055Hz之間頻繁或連續(xù)振動(dòng)。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動(dòng)時(shí)，必須采取減震措施，如采用減震膠等。(4)空氣。避免有腐蝕和易燃?xì)怏w，例如氯化氫、硫化氫等。

6、 對(duì)于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。(5)電源。PLC對(duì)于電源線帶來(lái)干擾具有一定抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境中，可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。 一般PLC都有直流24V輸出提供給輸入端,當(dāng)輸入端使用外接直流電源時(shí),應(yīng)選用直流穩(wěn)壓電源。因?yàn)槠胀ㄕ鳛V波電源，由于紋波影響，容易使PLC接收到錯(cuò)誤信息。1.2 PLC控制系統(tǒng)干擾來(lái)源1.2.1 來(lái)自變壓器、MCC柜、電力電纜和動(dòng)力設(shè)備干擾實(shí)踐證明，電源引入干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障情況很多。PLC電源通常采用隔離電源，但因其機(jī)構(gòu)及制造工藝等因素使其隔離

7、性能并不是很理想，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對(duì)隔離是不可能的。變壓器、MCC柜、電力電纜和動(dòng)力設(shè)備均為工頻，頻率較低，干擾一般發(fā)生在近場(chǎng)，而近場(chǎng)中隨著干擾源特性不同，電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量有著很大差別。特別是大型動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，瞬間電流能夠達(dá)到額定電流611倍，會(huì)產(chǎn)生大電流沖擊暫態(tài)干擾。1.2.2 來(lái)自信號(hào)線引入干擾與PLC控制系統(tǒng)連接各類(lèi)信號(hào)傳輸線,除了傳輸有效各類(lèi)信息之外,總會(huì)有外部干擾。信號(hào)侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過(guò)變壓器供電電源或共用信號(hào)儀表供電電源串入電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)干擾，即信號(hào)線上外部感應(yīng)干擾，這是很?chē)?yán)重的。由信號(hào)引入干擾會(huì)引起I

8、/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低,嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)作和死機(jī)等現(xiàn)象。1.2.3 來(lái)自接地系統(tǒng)混亂時(shí)干擾正確接地，既能抑制電磁干擾影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯(cuò)誤接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重干擾信號(hào)，使PLC系統(tǒng)無(wú)法正常工作。PLC控制系統(tǒng)地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交直流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對(duì)PLC系統(tǒng)干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一端接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在電位差，有電流流過(guò)屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)

9、（如雷擊）時(shí)，地線電流將更大。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)作用下，屏蔽層內(nèi)有會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過(guò)屏蔽層與芯線之間耦合，干擾信號(hào)回路。若系統(tǒng)地與其他接地處理混亂，所產(chǎn)生的環(huán)流可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC邏輯電路和模擬電路正常工作。PLC工作邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位分布干擾容易影響PLC邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯,造成數(shù)據(jù)混亂或死機(jī)。模擬地電位分布將導(dǎo)致測(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作。1.2.4 來(lái)自PLC系統(tǒng)內(nèi)部干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間相互電磁輻射產(chǎn)生,如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路影響,模擬地與邏輯地相互影響及元器件間相互不匹配使

10、用等。1.2.5 來(lái)自變頻器干擾一是變頻器啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)供電質(zhì)量；二是變頻器輸出會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備正常工作。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)抗干擾措施2.1 硬件措施2.1.1 屏蔽對(duì)電源變壓器、中央處理器、編程器等主要部件，采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁性良好的材料進(jìn)行屏蔽處理，以防止外界干擾信號(hào)影響。2.1.2 濾波對(duì)供電系統(tǒng)輸入線路采用多種形式濾波處理，以消除和抑制高頻干擾信號(hào)，也削弱模塊間相互影響。2.1.3 電源調(diào)整與保護(hù)電源波動(dòng)造成電壓畸變或毛刺，將對(duì)PLC及I/O模塊產(chǎn)生不良影響。對(duì)微處理器核心部件所需要 +5V電源采用多級(jí)濾波處理,并用集

11、成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)交流電網(wǎng)波動(dòng)和過(guò)電壓、欠電壓影響。盡量使電源線平行走線，這時(shí)電源線對(duì)地呈低阻抗，以減少電源噪聲干擾。其屏蔽層接地方式不同，對(duì)干擾抑制效果不一樣，一般次級(jí)線圈不能接地。輸入、輸出線應(yīng)用雙絞線且屏蔽層應(yīng)可靠接地，以抑制共摸干擾。2.1.4 隔離在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地把他們隔離開(kāi)來(lái)，以防外部干擾信號(hào)及地線環(huán)路中產(chǎn)生噪聲電信號(hào)通過(guò)公共地線進(jìn)入PLC,從而影響正常工作。2.1.5 采用模塊式結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)有助于在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行短時(shí)期修復(fù)，一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障，可迅速更換，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，同時(shí)也有助于加速查找系統(tǒng)故障原因。2.2 軟件措施2.

12、2.1 指令重復(fù)執(zhí)行指令重復(fù)執(zhí)行就是根據(jù)需要使作用相同指令重復(fù)執(zhí)行多次，一般適用于開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量輸入，輸出抗干擾。在采集某些開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量時(shí)，可重復(fù)采集多次，直到連續(xù)兩次或兩次以上采集結(jié)果完全相同時(shí)才視為有效。 若多次采集后，信號(hào)總是變化不定，可停止采集，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 在滿足實(shí)時(shí)性要求前提，如果在各次采集數(shù)字信號(hào)之間插入一段延時(shí)，數(shù)據(jù)可靠性會(huì)更高。如果在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不是很高的情況下，其指令重復(fù)周期盡可能長(zhǎng)些。2.2.2 數(shù)字濾波在某些信號(hào)采集過(guò)程中，由于存在隨機(jī)干擾而可能使被測(cè)信號(hào)隨機(jī)誤差加大。針對(duì)這種情況，可以采用數(shù)字濾波技術(shù)。該方法具有可靠性高和穩(wěn)定性好特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)計(jì)算機(jī)測(cè)控系

13、統(tǒng)中。此外，數(shù)字濾波常用方法還有：程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均。3 PLC系統(tǒng)安裝時(shí)抗干擾措施3.1 電源接線和地線接線要合理布置電源線,強(qiáng)電與弱電要嚴(yán)格分開(kāi)。接地在消除干擾上起很大作用。交流地是PLC控制系統(tǒng)供電所必需的,它通過(guò)變壓器中心點(diǎn)構(gòu)成供電兩條回路之一,這條回路上的電流、各種諧波電流等是個(gè)嚴(yán)重的干擾元。因此交流地線、直流地線、模擬地和數(shù)字地等必須分開(kāi)。 數(shù)字地和模擬地的共點(diǎn)地最好置懸浮方式。地線各點(diǎn)之間電位差盡可能小，盡量加粗地線，有條件可采用環(huán)形地線。系統(tǒng)地端子（LG）是抗干擾的中性端子，通常不需要接地，可是，當(dāng)電磁干擾比較嚴(yán)重時(shí)，這個(gè)端子需與接大地端子（G

14、R）連接。為防止電流沖擊，應(yīng)使用截面積大于2 平方米的14#專(zhuān)用接地線將GR端與大地相接,接地電阻應(yīng)小于100O歐姆，接地長(zhǎng)度小于20米。3.2 輸出端子的接線（1）當(dāng)幾個(gè)外部設(shè)備連接帶一個(gè)電源上時(shí)，應(yīng)使用短接片將其輸出端子對(duì)應(yīng)公共端子短接。輸出端可以使用不同電壓，這時(shí)其對(duì)應(yīng)公共端應(yīng)分別接入不同電壓源。（2）交流輸出線與直流輸出線不能使用同一根電纜。輸出線應(yīng)遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線，且不得并行。（3）輸出回路中應(yīng)有熔斷器保護(hù)PLC輸出元件。流入輸出端子最大電流不應(yīng)超過(guò)PLC允許值,否則必須外接接觸器或繼電器。同樣，若負(fù)載電流低于規(guī)定最小值時(shí)，應(yīng)并聯(lián)一個(gè)阻容吸收電路，如圖1所示。電阻取50歐姆，電容取

15、1微法。 圖1 并聯(lián)阻容吸收電路Fig.1 Parallel capacitor and absorbing circuit（4）電感性負(fù)載斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大自感電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電路接通時(shí)，起觸點(diǎn)處將產(chǎn)生電弧，嚴(yán)重時(shí)，發(fā)生觸點(diǎn)燒結(jié)。因此要在電感線圈上并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，如圖2所示。 圖2 并聯(lián)續(xù)流二極管電路Fig.2 Parallel free-wheeling diode circuit3.3 輸入輸出信號(hào)漏電流地處理當(dāng)輸入信號(hào)源為晶體管，或是光電開(kāi)關(guān)輸出類(lèi)型時(shí)，當(dāng)輸出元件為雙向，或是晶體管輸出而外部負(fù)載又很小時(shí)會(huì)因?yàn)檫@類(lèi)輸出元件在關(guān)斷時(shí)有較大地漏電流，使輸入電路和外部負(fù)載電路不能關(guān)斷，導(dǎo)致輸入與輸

16、出信號(hào)地錯(cuò)誤。為此，在這類(lèi)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(fù)載上電流,如圖3所示。 圖3 輸入、輸出端并聯(lián)旁路電阻電路Fig.3 Input and output terminal parallel byypass resistance circuit3.4 輸入輸出信號(hào)采用光隔離措施利用光電耦合器開(kāi)關(guān)特性實(shí)現(xiàn)輸入和輸出信號(hào)完全隔離，是抑制干擾有效措施之一。光電耦合器把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號(hào)源隔離開(kāi)來(lái)，也就是把模擬地和數(shù)字地?cái)嚅_(kāi)。由于光電耦合器具有很高輸入/輸出絕緣電阻和較高地輸出阻抗,被測(cè)信號(hào)可通過(guò)光電耦合器獲得通路,而共模干擾信號(hào)由于不成回路而得到有效抑制,因此,在P

17、LC控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離,與PLC系統(tǒng)本體分開(kāi),切斷了干擾噪聲的通道,解決了輸入輸出回路抗干擾問(wèn)題,是系統(tǒng)調(diào)試方便,運(yùn)行可靠。3.5 電纜的敷設(shè)當(dāng)動(dòng)力電纜超過(guò)10A/400V或20A/220V,若要求與輸入輸出電纜并行放置,那么在兩者之間至少相隔300毫米。如果將它們放在一個(gè)槽內(nèi)時(shí)，它們之間必須間隔100毫米以上，且一定要用接地金屬屏蔽起來(lái)。特別注意的是PLC的基本單元與擴(kuò)展單元之間電纜是傳送電壓低的高頻信號(hào),很易受到干擾,因此,不能將它與其他電纜設(shè)在同一管道內(nèi)。另外，使用電纜應(yīng)是截面積小于1.5平方毫米屏蔽電纜。最好使用電纜管敷設(shè)電纜。使用排線槽時(shí)，長(zhǎng)度不足以包含全部輸入輸

18、出連線，并與其他電纜分開(kāi)。把輸入線絞合，絞合的雙絞線能降低共膜干擾，由于改變了導(dǎo)線電磁感應(yīng)方向，從而使其感應(yīng)相互抵消。 如圖4所示。 圖4 輸入線絞合電路Fig.4 Input line lay-up electric circuit信號(hào)采集是模擬線路時(shí)導(dǎo)線可捆扎在一起。數(shù)據(jù)線和脈沖線不能接近或捆扎在一起。否則數(shù)據(jù)線上全1時(shí)， 在脈沖線上造成干擾，反之亦然。使用屏蔽線作輸入線，只需一端接地。若兩端接地，由于接地電位差在屏蔽層內(nèi)會(huì)流過(guò)電流而長(zhǎng)生干擾。為了泄放高頻干擾，數(shù)字信號(hào)線屏蔽層應(yīng)并聯(lián)電位均衡線，其電阻應(yīng)小于屏蔽電阻十分之一，并將屏蔽層兩端接地，若考慮抑制低頻干擾也可一端接地。4 變頻器抗干擾措施一是變頻器啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)供電質(zhì)量；二是變頻器輸出會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備正常工作。（1）加隔離變壓器。主要是針對(duì)來(lái)自電源傳導(dǎo)干擾。可以將絕大部分傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前，同時(shí)還兼有電源電壓變換作用。（2）使用濾波器。濾波器分有源和無(wú)源兩種，一般采用無(wú)