PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施

李 琳

(武夷學(xué)院 電子工程系, 福建 武夷山, 354300)

PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施

李 琳

(武夷學(xué)院 電子工程系, 福建 武夷山, 354300)

可編程控制器(簡(jiǎn)稱PLC)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)各個(gè)行業(yè)，因此保證其工作的可靠性就顯得尤為重要. 通過(guò)對(duì)PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制中存在的干擾因素的分析，提出了采用多級(jí)電源濾波器、根據(jù)IEC規(guī)定特別強(qiáng)調(diào)電源線和信號(hào)線宜在同一通道內(nèi)布線、合理接地、外部隔離等電路設(shè)計(jì)方法以及軟件編程等措施，提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力. 并經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)證明這些方法對(duì)確保PLC控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是行之有效的.

PLC；控制系統(tǒng)；抗干擾

可編程控制器(以下簡(jiǎn)稱PLC)是在集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制設(shè)備，作為一種特殊形式的計(jì)算機(jī)控制裝置，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì). 它由初期的微計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器控制技術(shù)巧妙地融合在一起，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，發(fā)展到目前可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集和通信聯(lián)網(wǎng)及集散控制等. 它的應(yīng)用幾乎覆蓋了所有工業(yè)領(lǐng)域，既能改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品成為機(jī)電一體化的新一代產(chǎn)品，又適用于生產(chǎn)過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)能與降低成本. 由于PLC直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，因此它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍，這是區(qū)別于一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征.

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中所使用的各種類型PLC，大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，雖然PLC在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采用了多層次抗干擾措施，具有較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和較高的可靠性，但由于PLC直接與現(xiàn)場(chǎng)的輸入/輸出(I/O)設(shè)備相連，外來(lái)干擾很容易通過(guò)電源線或I/O傳輸線侵入，從而引起控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作[1]. 要提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，就要求用戶高度重視PLC控制系統(tǒng)的抗干擾問(wèn)題.

1 外部干擾的來(lái)源

我們?cè)?jīng)對(duì)某機(jī)械廠熱處理車間的一些生產(chǎn)設(shè)備的電氣控制部分進(jìn)行改造，采用PLC控制系統(tǒng)替代原來(lái)的繼電器邏輯、順序控制系統(tǒng). 這個(gè)車間的工作環(huán)境比較惡劣：存在大容量電器設(shè)備、大功率整流設(shè)備等.

由于PLC是直接與被控對(duì)象的電子設(shè)備相連接，因此周圍的干擾很容易引起PLC控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作. 諸如控制系統(tǒng)供電電源的波動(dòng)以及電源電壓中產(chǎn)生的高次諧波；其它設(shè)備或空中強(qiáng)電場(chǎng)通過(guò)分布電容的耦合竄入到控制系統(tǒng)內(nèi)；周圍大容量電氣設(shè)備啟動(dòng)、停止時(shí)的電磁感應(yīng)；信號(hào)線引入的干擾及接地系統(tǒng)混亂的干擾等等.

2 抗干擾的措施

2.1 電源系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

大容量電器設(shè)備在起動(dòng)和通電時(shí)引起電壓降低；大功率整流設(shè)備、開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生大量諧波；大功率電焊機(jī)等引起電源電壓的劇烈波動(dòng). 這些干擾設(shè)備產(chǎn)生的電壓擾動(dòng)通過(guò)電源線路的阻抗耦合將干擾PLC控制系統(tǒng)的正常工作，為此采用了如下的抗干擾措施.

a. 濾波和隔離. 針對(duì)可靠性要求比較高且干擾較強(qiáng)的場(chǎng)合，在PLC交流電源的進(jìn)線端接入帶屏蔽層的隔離變壓器和多級(jí)濾波器(以往只采用低頻濾波器)(見(jiàn)圖1).

圖1 多級(jí)濾波電路與隔離變壓器

圖1中100 μH電感和0.1 μF的電容組成高頻濾波器抑制高頻干擾；0.5 H電感和10 μF電容組成的低頻濾波器吸收電源電壓波形畸變而產(chǎn)生的諧波干擾；壓敏電阻RW吸收過(guò)電壓干擾，正常工作時(shí)相當(dāng)于開(kāi)路，出現(xiàn)尖峰干擾脈沖時(shí)被擊穿，干擾電壓被壓敏電阻RW鉗位. 隔離變壓器可以抑制從電源線竄入的外來(lái)干擾，提高抗高頻共模干擾能力,屏蔽層應(yīng)可靠接地. 通過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用，這種多級(jí)電源濾波電路效果很好，但要注意濾波器的輸入側(cè)和輸出側(cè)的線路均不能靠近或交叉.

b. 分離配電系統(tǒng). 將PLC、輸入/輸出(I/O)、其他設(shè)備的電源線分別配線(見(jiàn)圖2(a)). 由各自的隔離變壓器供電，并與主回路電源分開(kāi)，隔離變壓器與PLC和與I/O電源之間應(yīng)采用雙絞線連接. 同時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)力線應(yīng)足夠粗，以降低大容量電器設(shè)備起動(dòng)時(shí)的線路壓降.

圖2 使用隔離變壓器或UPS并分別配線的供電系統(tǒng)

c. 使用UPS供電. 由于該車間的用電設(shè)備多為二級(jí)負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷等級(jí)要求不能中斷供電. 因此采用在線式不間斷供電電源(UPS)，保證電網(wǎng)斷電后不中斷對(duì)PLC控制系統(tǒng)的供電，提高供電的可靠性. 同時(shí)UPS還具有較好的干擾隔離性能，在現(xiàn)場(chǎng)中使用效果顯著(見(jiàn)圖2(b))[2-3].

2.2 對(duì)感性負(fù)載引起的干擾的處理

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在著大量的具有儲(chǔ)能功能的感性負(fù)載. 當(dāng)控制觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，電路中的感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生高于電源電壓十幾倍甚至幾十倍的反電勢(shì)；觸點(diǎn)吸合時(shí)，會(huì)因觸點(diǎn)的抖動(dòng)而產(chǎn)生電弧，它們都會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾.

a. 抑制輸入、輸出信號(hào)干擾的措施. 若在PLC的輸入、輸出端接有交流感性負(fù)載L時(shí)，對(duì)于交流電路為了防止反電勢(shì)損壞模塊，在負(fù)載L兩端并接阻容元件(RC)作為浪涌吸收器(見(jiàn)圖3(a))；若是直流電路，在負(fù)載L兩端并接續(xù)流二極管VD(見(jiàn)圖3(b)).

元件參數(shù)的確定：電阻R可以取51～120 Ω，電容C可以取0.1～0.47 μF，電容C的耐壓要大于電源的峰值電壓. 續(xù)流二極管VD的額定電流選為1 A，其額定電壓要大于電源電壓的3倍.

圖3 PLC輸入、輸出端接有感性負(fù)載

b. 對(duì)于大容量的感性負(fù)載如電動(dòng)機(jī)和電力變壓器啟停產(chǎn)生的干擾，還可以在交流接觸器的觸點(diǎn)兩端并接RC浪涌吸收器或在電源相線間設(shè)置RC浪涌吸收器.

2.3 PLC外圍配線的布局

目前我國(guó)部分規(guī)范和手冊(cè)中規(guī)定電源線和信號(hào)線應(yīng)分開(kāi)一定距離，這種規(guī)定不完全正確. 我們發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)存在有多套PLC控制系統(tǒng)或PLC與計(jì)算機(jī)等其它智能設(shè)備組成通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信這種實(shí)際情況. 若每套設(shè)備的電源線和信號(hào)線未布置在同一通道內(nèi)，在各套設(shè)備之間將形成一個(gè)大面積的包繞環(huán)，當(dāng)空間產(chǎn)生高頻變電磁場(chǎng)時(shí)，此包繞環(huán)內(nèi)將感應(yīng)產(chǎn)生幅值甚大的涌壓，將干擾甚至損壞PLC控制系統(tǒng)[4]. 因此根據(jù)IEC(國(guó)際電工委員會(huì))規(guī)定，PLC系統(tǒng)設(shè)備電源線和信號(hào)線宜布置在同一通道內(nèi)，以減少包繞面積. 在通道內(nèi)為避免電源線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)線的干擾，電源線和信號(hào)線宜采用屏蔽電纜、穿鋼管電線或雙絞線且信號(hào)線應(yīng)加屏蔽并在兩端接地.

2.4 正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)

在PLC控制系統(tǒng)中，具有多種形式的“地”，主要有信號(hào)地、交流地、屏蔽地、保護(hù)地. 因此良好的接地，可以減少由電位差引起的干擾電流；可以防止由漏電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，這是保證PLC可靠工作的重要條件. 當(dāng)信號(hào)頻率低于1 MHz 時(shí)，可采用一點(diǎn)接地(見(jiàn)圖4(a))；若信號(hào)頻率高于10 MHz時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地，即PLC應(yīng)設(shè)有獨(dú)立的、良好的接地裝置，與其它強(qiáng)電設(shè)備應(yīng)分別使用自己的接地裝置(見(jiàn)圖4(b))；信號(hào)頻率在1～10 MHz之間可視實(shí)際情況采用上述兩種方式中的一種. 接地線的截面積應(yīng)大于2 mm2，接地電阻小于100 Ω，接地點(diǎn)與PLC的距離應(yīng)小于50 m.

圖4 PLC控制系統(tǒng)的接地方法

2.5 強(qiáng)烈干擾環(huán)境下的隔離措施

在某些工作現(xiàn)場(chǎng)，空間中極強(qiáng)的電磁場(chǎng)和大電流、高電壓的通斷都會(huì)對(duì)PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾. 這些干擾在PLC輸入線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流足以使PLC輸入端隔離用的光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，造成光電耦合的隔離作用失效,使PLC產(chǎn)生誤動(dòng)作. 針對(duì)這種情況，對(duì)于用長(zhǎng)線引入PLC的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，可采用小型中間繼電器來(lái)隔離. 因?yàn)楣怆婑詈掀髦邪l(fā)光二極管的最小工作電流僅幾毫安，而小型中間繼電器的線圈吸合電流為數(shù)十毫安，強(qiáng)電干擾信號(hào)通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的能量不可能使隔離用的繼電器吸合. 同時(shí)中間繼電器具有多對(duì)觸點(diǎn)，可以用來(lái)分別為PLC、上位計(jì)算機(jī)、指示燈提供輸入信號(hào).

為了提高抗干擾能力和防雷擊，PLC的外部信號(hào)、PLC與上位計(jì)算機(jī)及其它智能設(shè)備之間的串行通信信息還可以使用光纖進(jìn)行傳輸和隔離.

2.6 抗干擾的軟件措施

采用了上述的硬件措施有時(shí)不能完全消除干擾的影響，還應(yīng)配合以下軟件措施：

a. 在軟件中增加延時(shí)模塊, 提高對(duì)偽信號(hào)的甄別能力. 繼電器瞬動(dòng)觸點(diǎn)的動(dòng)作接觸時(shí)間一般大于20 ms, 可采用軟件延時(shí)20 ms；或?qū)ν恍盘?hào)的開(kāi)關(guān)量輸入做2次或2次以上讀入，結(jié)果一致確認(rèn)輸入有效.

b. 利用計(jì)數(shù)器消除輸入信號(hào)觸點(diǎn)“振動(dòng)”干擾.實(shí)際應(yīng)用中，由于外界干擾會(huì)發(fā)生觸點(diǎn)X00時(shí)通時(shí)斷的“振動(dòng)”現(xiàn)象(見(jiàn)圖5(a))，輸出Y30會(huì)發(fā)生觸點(diǎn)“振動(dòng)”，這種干擾直接影響PLC控制. 采用計(jì)數(shù)器可消除這種干擾，其梯形圖(見(jiàn)圖5(b))，當(dāng)“振動(dòng)”干擾使X00斷開(kāi)時(shí)間間隔Δt＜K×0.1(K為計(jì)數(shù)常數(shù))，計(jì)數(shù)器輸出為0，輸出繼電器Y30保持導(dǎo)通，干擾不影響PLC正常工作. 只有當(dāng)X00斷開(kāi)時(shí)間Δt≥K×0.1時(shí)，計(jì)數(shù)器C60計(jì)滿K次，C60為“1”， Y30才輸出為0. 在實(shí)際調(diào)試中可根據(jù)干擾情況調(diào)整K值.

圖5 消除輸入干擾方法

3 結(jié)語(yǔ)

PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)之一，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮各種干擾因素做具體分析，有針對(duì)性地采取各種消除方法，合理有效地抑制干擾，以確保PLC控制系統(tǒng)可靠、正常地工作.

[1] 周林, 廖常初. 提高可編程序控制器控制系統(tǒng)可靠性的措施[J]. 電工技術(shù), 2000(6)： 20-22.

[2] 王衛(wèi)兵, 宋欣. 可編程序控制器原理及應(yīng)用[M]. 3版.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009： 340-344.

[3] 劉介才. 工廠供電[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009：9.

[4] 白如瓊. 自動(dòng)化控制系統(tǒng)抗干擾措施[J]. 機(jī)床電器, 2009(5)： 60-62.

PLC control system’s antijamming measure

LI Lin
(Electronic Engineering Department, Wuyi University, Wuyishan 354300, China)

The programmable controller (i.e. PLC) widely applies in social product each profession, Therefore the guarantee its work's reliability appears especially important. Through to the PLC control system the disturbance factor analysis which exists in the industry scene control, Proposed uses the multistage power source filter, to stress the power line and the holding wire specially according to the IEC stipulation suitably in the identical channel wiring, reasonable earth, exterior isolation measures and so on and so on circuit design methods as well as software programming, Sharpens the PLC control system's antijamming ability. And after produces the scene to prove that these methods to guaranteed the PLC control system's reliability service is effective.

PLC; control system; antijamming

TM 712

：A

1672-6146(2010)04-0049-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.04.014

2010-09-30

李 琳(1960-), 女, 副教授, 研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用.