抗干扰控制【抗干扰设计方案在PLC控制系统中的应用】

　　可编程序控制器（Programmable logic controller）简称PLC是20世纪60年代末发展起来的一种新型工业控制装置。由于PLC具有功能性强、编程简单、可靠性高等优点，被广泛应用于各类生产机械和生产过程的自动化控制中。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业的安全生产和经济效益，系统的抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。由于PLC是以集成电路为基本单元的电子装置，内部处理过程不依赖机械触点，它的硬件和软件在设计中都采用一系列的隔离和抗干扰技术，即使在恶劣的环境中PLC仍能稳定工作，但是，如果PLC控制系统外界和内部的干扰过于强烈，就会影响到整机的可靠运行，所以充分考虑PLC系统的抗干扰设计，并在外围电路的设计和系统的安装过程中采取相应的抗干扰设计方案，才能确保整个系统可靠工作。下面就PLC控制系统中常见的干扰源以及如何采用相应的抗干扰设计方案进行较为详细的探讨。
　　一、PLC控制系统中常见的干扰源
　　一般而言，除有用信号以外，其他任何对系统有不良作用的噪声信号，都归于干扰之列，必须给予抑制或消除。造成PLC控制系统受干扰的原因是多方面的，根据其来源大致可以分为PLC系统内部干扰源、系统外引线干扰源和空间辐射干扰源三个方面。
　　1.系统内部干扰源
　　系统内部的干扰主要是由于PLC控制系统自身存在的噪声与缺陷所引起，例如元器件性能变坏或失效，线路中存在的电容性元件引起的寄生振荡，接插件接触不良，焊接工艺差，软件设计考虑不周而存在某种缺陷，调试过程中的疏忽大意以及线路故障等都将给运行中的PLC系统造成干扰。
　　2.系统外引线干扰源
　　系统外引线干扰源主要指来自PLC控制系统以外的电源和信号线的干扰，包括电源的干扰、来自信号线引入的干扰以及接地系统混乱时引起的干扰等。
　　（1）电源干扰。PLC系统的正常供电电源由电网提供，电网内部的变化，都通过输电线路传到PLC电源系统，如果电源性能不理想，系统就有可能无法正常工作。
　　（2）来自信号线引入的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线，总会有外部干扰信号侵入。由信号侵入干扰会引起I/O信号工作异常，大大降低测量精度，严重时损伤元器件，甚至造成逻辑数据变化、误动作或死机。
　　（3）接地系统混乱时引起的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均匀，不同接地点间存在电位差引起的环路电流影响系统正常工作。
　　3.空间辐射干扰源
　　 空间辐射干扰主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生。其影响主要通过两个途径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。
　　二、PLC控制系统中有效的几种抗干扰设计方案
　　1.电源电路的抗干扰设计方案
　　由供电线路引入的干扰和电源自身产生的干扰，是PLC控制系统的主要干扰源。完善电源电路的抗干扰措施，则解决了很大部分的干扰问题。
　　（1）采用交流稳压器。PLC控制系统往往都在比较恶劣的用电环境中使用，如车间有大电机、电焊机、电弧炉等大用电设备频繁启动，车间供电电压波动较大，瞬间下降较严重。为保证PLC供电系统不受其干扰，通常220V电源进线都要加装交流稳压器。而且要采用高性能的稳压器，要求无自激现象，纹波尽可能小，因此应设法抑制稳压电源内部可能出现的噪声，使它既不能引入外来的干扰又保证自身不产生干扰。特别注意交流稳压器容量大小的合理配置，要按实际考虑容量并留有一定余量。
　　（2）采用电源滤波器。采用电源滤波器是PLC控制系统中广泛采用的抗干扰措施之一。经过反复测试在电源中如图1连接是一种较为有效的抑制共模和串模干扰的电源滤波器。
　　其中，L1、L2、C1构成一个主要滤除串模干扰的滤波器；而L3、L4、C2、C3则主要用于抑制共模干扰。其中L1和L2可选用几百mH，采用不易饱和的铁心材料。L3和L4可用几~几十mH。电容通常选用高频性能好，耐压高的陶瓷或聚酯电容。C1选0.047~0.33μF，C2和C3一般选几千pF。选用不同的电源滤波器的电感和电容的参数，可滤除不同频段上的干扰。
　　（3）采用屏蔽隔离变压器。为保证PLC供电系统不受干扰，在进入PLC控制系统之前的电源线路中加装屏蔽隔离变压器，且变压器的容量应比实际大1.2～1.5倍左右。屏蔽隔离变压器的次级侧至PLC控制系统间必须采用大于2mm2的铜芯聚氯乙烯绝缘双绞线。隔离变压器的一次侧和二次侧间均应采用静电屏蔽措施，在变压器一次侧和二次侧间加屏蔽并接地，因此可以大大减小分布电容，从而消除线圈间的直接耦合。如果电源带有严重干扰，应采用如图2接法的三层屏蔽变压器。双层屏蔽的隔离变压器只能够抑制共频干扰，三层屏蔽的变压器还能抑制共模干扰。
　　（4）采用分离供电系统.。在PLC控制系统中，向I/O通道和其他设备供电的变压器应与向PLC控制系统供电的变压器分开，以抑制电网的干扰。也可采用UPS的供电系统和双路供电系统，双路电源最好引自不同的变电站。
　　综合以上分析PLC控制系统电源电路的抗干扰设计方案如图3所示
　　此外，供电系统的配线装置也必须采取一些抗干扰措施，比如电源部分应尽可能安放在距电源引进入口较近的地方；从电源引进口，经过开关器件和低通滤波器，直到电源的配线尽量选用粗导线；电源后面的一段布线，均应采用扭绞线，扭绞的螺距要小，如果导线较粗，无法扭绞时，应把布线距离缩到最短程度；交流线、逻辑信号线、模拟信号线等均应分开布线。
　　2.接地系统的抗干扰设计方案
　　系统不正确的接地方法，会使系统的干扰大大增加，甚至使系统无法正常工作；正确的接地方法既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰电磁。接地系统混乱是对PLC控制系统产生干扰的重要原因，体现在各个接地点，点位分布不均，不同接地点存在地电位差，引起地环路电流，因此影响系统的正常工作。若系统地与其他接地系统处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮。模拟地电位的分布干扰将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。
　　（1）PLC控制系统与电网的接地方式。在PLC控制系统与电网的接地方式中, 经过反复测试采用如图4的接地方式具有较好的抗干扰效果。
　　图4(a)为共地方式，PLC控制系统中电路的接地点、机壳与电网地线N和接地线B联在一起,整个系统以大地为电位参考点,这种接地方式在大地电位比较稳定的场所,系统的电位也比较稳定,接地线路比较简单,且因机壳接地,操作也较安全。若在大地电位变化较大的场所,系统的电位也随之变化,电路将受到共模干扰,且容易转变成串模干扰,此时应尽量减小接地电阻,也可以采用浮地方式。
　　图4(b)是浮地方式，PLC控制系统中电路的接地点与机壳相联浮空不接地，一般在机柜与地之间用绝缘胶垫隔开,交流进线也要加强绝缘,该方式可避免大地电位变化、地回路电磁感应造成的干扰,但因系统浮地,机壳容易积累静电,操作不太安全。
　　图4(c)是电网和机壳共地、电路浮地的方式，是上面两种方式的折衷，因机壳的接地点与电网接地点连在一起，因此操作比较安全，电路的接地点是独立的，避免受大地电位和接地回路的干扰。通常将电路和插件框架用绝缘支撑与外部机架、机壳隔开,保护电路部件与机壳的良好绝缘。电路的接地点接在插件框架背面专门设置的敷铜板上,自成接地系统。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　（2）PLC控制系统与动力设备的接地方式。在PLC控制系统与动力设备的接地方式中，经过反复测试采用如图５的接地方式具有较好的抗干扰效果。
　　图5(a)为控制系统与其他动力设备单独接地即专用接地；图5(b)为控制系统与其他动力设备公共接地；见图5(c)为控制系统与其他动力设备串联接地即共通接地。其中单独接地的方式最好，若不能每个设备都单独接地，可使用公共接地方式，但PLC控制系统不允许与其他动力设备串联接地，特别是应避免与电动机、变压器、变频调速器、制冷压缩机等动力设备串联接地。
　　PLC系统最好单独接地，也可以与其他设备公共接地，但严禁与其他设备串联接地。连接接地线时,一般应注意以下几点；(1)PLC控制系统单独接地；(2)PLC系统的接地端子是抗干扰的中性端子，应与接地端子连接，其正确接地可以有效消除电源系统的共模干扰；(3)PLC系统的接地线至少用20mm2的专用接地线，以防止产生感应电；(4)输入/输出信号电缆的屏蔽线应与接地端子端连接，且接地良好。
　　3.安装与布线的抗干扰设计方案
　　在对PLC系统进行安装和布线时，除了要按正常的操作规程进行外，还要考虑到周围的工作环境。PLC系统所处的环境对其自身抗干扰也有一定得关系。
　　（1）安装注意事项。第一，PLC系统周围的环境温度在0℃~55℃之间，空气相对湿度小于85%，周围没有水的溅射，并且避免太阳光直射；
　　第二，滤波器、隔离变压器应设在PLC控制柜电源进线口处，不让干扰进入柜内，或尽量缩短进线距离；
　　第三，PLC控制柜应尽量远离高压柜、大动力设备和高频设备；
　　第四，PLC控制柜应远离继电器之类的电磁线圈和容易产生电弧的触点；
　　第五，整台PLC要远离发热的电器设备或其他热源，并放置在通风良好的位置上；
　　第六，周围没有过度的振动和冲击，如果PLC安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，周围没有腐蚀和易燃的气体。
　　（2）布线注意事项。在敷设电缆时，应遵循以下几项要求：
　　第一，将动力线、控制线、信号线严格分开，以防止它们之间的相互干扰；
　　第二，PLC的输入线应尽可能远离输出线、高压线及其他用电设备。开关量和模拟量的信号线也要分开敷设，敷设模拟量信号使用双层屏蔽电缆时，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的十分之一；
　　第三，PLC的控制单元与扩展单元以及其他各功能模块之间的连接电缆也应单独敷设，以防外界信号的干扰；
　　第四，交流输出线和直流输出线不用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，且避免并行。
　　4.软件抗干扰设计方案
　　软件抗干扰技术所要考虑的因素有如下几个方面：一是当干扰使运行程序发生混乱，导致程序失控或进入死循环时，采取使程序重新纳入正轨的措施，如软件冗余、软件陷阱、看门狗等技术；二是采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声的影响，如数字滤波技术；三是一旦发现错误，能及时报告，有条件时可自动纠正，这就是错误的检测和故障诊断。经过反复验证在PLC控制系统中采用如下设计方案具有较好的抗干扰效果。
　　（1）开关量输入的抗干扰设计。当控制器的输入信号来自外部的开关量时，由于噪声、干扰、误动作等因素的影响导致程序判断失误，造成事故。当按钮作为输入信号时，则不可避免会产生抖动瞬间；当输入信号来自继电器触点，有时会产生跳动，将会引起系统误动作。为解决以上问题，可采用定时器延时来去掉抖动。因此，须在信
　　号输入端设计去抖的梯形图，如图6所示，采用软件延时30ms，在实际使用时，定时时间的长短，可根据触点抖动情况和系统要求的响应速度而定，在这个时间上作调整，这样可保证触点确实稳定闭合（或断开）后才执行。
　　（2）模拟量输入的抗干扰设计。当控制器的输入信号为模拟信号时，常采用软件数字滤波来提高有用信号的可靠性。常用的滤波方法主要有程序判断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、算数平均值滤波、去极值平均值滤波等。比如对于一些有大幅度随机干扰的系统，应采用程序限幅滤波法，即连续采样多次，若某一次采样值远远大于其它几次采样的幅值，表明是干扰信号，应去掉。对于流量、压力、液面、位移等变化较大的参数，往往会在一定范围内频繁波动，应采用算术平均值滤波法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般情况下：流量n= 12，压力n=4最合适。对于缓慢变化的信号如温度参数，可连续3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转换而言，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。n=3时的采样输入梯形图如图7所示，输入特殊功能模块为FX-4AD，其模块编号为0，M0产生周期为T的脉冲信号(T为采样周期,它等于定时器T0定时时间的2倍)。采样结果送D0，每隔T时间采样一次，并把采样值顺序送D10、D11、D12保存,取D10、D11、D12中三个值的平均值当作模拟量的输入值，并送D20保存。
　　（3）系统故障的自诊断设计。实践表明，控制系统的输入、输出元件，如限位开关、电磁阀、接触器等故障率远远高于控制器的本身故障率，而这些元件出现故障后，控制器一般不会觉察出来，不会立即停机，可能会使故障进一步扩大，随之会发生多个故障，直至强电保护装置动作后停机，有时甚至会造成设备和人身事故，停机后，查找故障也要花费很多时间，为了方便查找故障，提高维修率，可用梯形图程序实现故障的自诊断。
　　在系统正常运行时，控制器的有些输入、输出信号相互之间存在着确定的关系。因此，根据输出信号的状态与控制过程之间的逻辑关系，判断设备运行是否正常。例如，某机械设备的两个限位开关与输出信号之间的约束关系为：（X0，X1’，Y0，Y1’）；（X0’，X1，Y0’，Y1）。用M0，M1表示合法状态，Y10为报警输出。如图8用逻辑组合判断法实现的系统自诊断。
　　机械设备在各工步的动作所需的时间一般是不变，即使变化也不会太大。因此，可以以这些时间为参考，当控制器发出控制信号，相应的执行机构动作，同时启动一个定时器，定时器的设定值比正常情况下该动作的持续时间长20%，若时间到，但控制器并没有收到执行机构动作结束信号，则启动报警。例如X0为机床动力头启动信号输入端，X1为机床动力头终点行程开关输入端，假设正常情况下，运行10s后到达终点，Y0为动力头输出，Y10为报警输出。图9是用超时判断法实现的系统自诊断。
　　三、结束语
　　总之，PLC控制系统的抗干扰设计在系统设计中占有重要地位，在实际设计中只有根据系统的具体特点和环境的具体要求，灵活地选择行之有效的抗干扰设计方法，才能从整体上提高系统的抗干扰能力，保证系统运行可靠。
　　（作者单位：广东省粤东高级技工学校）
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文