基于PLC控制系統(tǒng)的抗干擾方法研究

孫海維

摘 要：通過對PLC控制系統(tǒng)的硬件及軟件的分析，對其產(chǎn)生干擾的主要來源及成因進(jìn)行了具體的探討，從電源、電纜、I/O信號防錯(cuò)等硬件以及定時(shí)器控制采樣、計(jì)數(shù)器、監(jiān)控程序等軟件編程等方面提出了抗干擾的方法和措施，為PLC控制系統(tǒng)更好的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持，同時(shí)為PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了有效的借鑒。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)；抗干擾；分析

前言

PLC是一種常見的控制工業(yè)生產(chǎn)過程的裝置，以其體積小、功能強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)控制系統(tǒng)中，但在實(shí)際的工作環(huán)境中，PLC仍然面對許多特別惡劣的環(huán)境，如現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)電場及強(qiáng)磁場干擾、電源波形的畸變、PLC的輸入及輸出觸點(diǎn)的抖動(dòng)等，從而導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)無法可靠運(yùn)行，所以提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力是十分必要的。文章根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，從各個(gè)方面對PLC控制系統(tǒng)的主要干擾源進(jìn)行了具體的分析，并提出了提高PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力的方法，為工業(yè)生產(chǎn)的過程自動(dòng)控制提供了有力的技術(shù)參考，同時(shí)也為PLC控制系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用提供了重要支撐。

1 PLC控制系統(tǒng)的干擾來源及危害分析

對于PLC控制系統(tǒng)來說，影響系統(tǒng)可靠性的原因很多，但最主要的干擾源有四種：電源干擾、空間輻射干擾、I/O信號線干擾以及接地系統(tǒng)混亂干擾。下面對這四種干擾的原因及影響進(jìn)行具體分析。

1.1 電源的干擾

電源是干擾PLC控制系統(tǒng)的最主要的源頭之一，主要分為共模干擾和差模干擾，它們引起的諧波會影響PLC控制系統(tǒng)的測量與控制精度，嚴(yán)重時(shí)會造成PLC控制系統(tǒng)的失控和誤動(dòng)作，甚至?xí)斐上到y(tǒng)死機(jī)。近幾年來，變頻器越來越多的出現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場，而變頻器的脈動(dòng)電流及電網(wǎng)阻抗形成的脈動(dòng)電壓降會對PLC控制系統(tǒng)的電源形成嚴(yán)重的諧波干擾。

1.2 空間的輻射干擾

空間的輻射干擾主要來源于供電網(wǎng)絡(luò)、變頻設(shè)備（高頻感應(yīng)加熱器、變頻器）、大型電氣設(shè)備、整流設(shè)備等。這種空間輻射通過對設(shè)備殼體、導(dǎo)線等的輻射干擾，造成對控制系統(tǒng)的干擾，具體干擾途徑有兩種：一是由電路感應(yīng)產(chǎn)生，直接對PLC內(nèi)部輻射；二是由通信線路的感應(yīng)引入，對PLC的通信內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輻射干擾。

1.3 I/O信號線接口的干擾

I/O信號線的輸入、輸出受到干擾會造成邏輯數(shù)據(jù)混亂、錯(cuò)誤干擾以及死機(jī)，有時(shí)候會造成元器件損傷。PLC控制系統(tǒng)由于干擾引起的I/O模塊損壞造成的危害要比其他干擾造成的危害大得多。

1.4 接地線混亂造成的干擾

PLC控制系統(tǒng)中的接地線有很多種，如系統(tǒng)地線、屏蔽地線、交流地線、保護(hù)地線等，這些接地線的混亂造成各個(gè)接地點(diǎn)的電位不一致，從而影響PLC控制系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)儲存，甚至?xí)斐上到y(tǒng)的死機(jī)、測控信號失真以及錯(cuò)誤動(dòng)作，影響了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了保證PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，通常采用的措施有三種：抑制干擾源、切斷（或衰減）干擾傳播途徑、提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在具體進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，通常從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)

由上文分析的PLC控制系統(tǒng)的干擾源，可以從電源、電纜、I/O信號、接地方式四個(gè)方向?qū)LC控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行防干擾設(shè)計(jì)，具體如下：（1）電源的設(shè)計(jì)。當(dāng)PLC控制系統(tǒng)在干擾要求較強(qiáng)的場合工作時(shí)，可以對PLC的交流電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在電源輸入端加入帶屏蔽層的隔離變壓器和濾波結(jié)構(gòu)，通過濾波結(jié)構(gòu)去除共模干擾和差模干擾，通過隔離變壓器抑制外來干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。（2）電纜的選型及布線設(shè)計(jì)。在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對于不同的信號類型要采用不同型號的電纜傳輸，尤其對于低頻信號、傳輸較遠(yuǎn)的信號、高速信號等，要選擇帶屏蔽的多芯電纜或雙絞線電纜，在電纜布線時(shí)，要主動(dòng)減速電纜的輻射電磁干擾，尤其不要將PLC控制系統(tǒng)的電源線與變頻裝置的線纜鋪設(shè)在一起，應(yīng)該將電線按用途分層鋪設(shè)，PLC控制系統(tǒng)的電源線距離其他線纜的距離不得低于200mm。（3）I/O信號線的接口防干擾設(shè)計(jì)。對于I/O信號線，當(dāng)PLC的輸入信號源為晶體管或光電開關(guān)時(shí)，輸出元件為雙向晶閘管，可以通過將這類輸入、輸出端作為并聯(lián)旁路電阻來減少PLC的輸入電流及外部負(fù)載的電流，同樣也可以通過在輸入端加入RC濾波環(huán)節(jié)抑制竄入脈沖的干擾，在輸出端并聯(lián)RC電流抑制器，減小漏電流的干擾；當(dāng)輸入線的干擾電源和干擾電流較大導(dǎo)致光電耦合器失效時(shí)，可以通過小型繼電器來進(jìn)行隔離；當(dāng)PLC輸出驅(qū)動(dòng)交流接觸器時(shí)，可以在負(fù)載線圈上并聯(lián)RC吸收電路；當(dāng)PLC驅(qū)動(dòng)直流接觸器時(shí)，可以在負(fù)載線圈上并聯(lián)一個(gè)二極管吸收反電動(dòng)勢，抑制干擾。（4）接地線的改進(jìn)設(shè)計(jì)。工業(yè)現(xiàn)場常用的接地方式通常有三種：直接接地方式、浮地方式、電容接地方式，對于PLC控制系統(tǒng)裝置應(yīng)該采用直接接地方式，即將布置PLC控制系統(tǒng)需要接地的各個(gè)點(diǎn)以單獨(dú)的接地線從柜體中心接地點(diǎn)引導(dǎo)接地極，保證電位一致，如果裝置的間距太大，要采用較大截面的銅母線從柜體中心接地點(diǎn)連接到接地極，一定要避免多點(diǎn)接地，同時(shí)接地線的銅導(dǎo)線截面不得小于22mm2，總母線不得小于60mm2，對于屏蔽線和屏蔽層，如果信號源接地，要將其在信號側(cè)接地，如果信號源不接地，要將其在PLC側(cè)接地。

2.2 PLC的軟件防干擾設(shè)計(jì)

由于PLC控制系統(tǒng)的干擾源的復(fù)雜，硬件措施無法完全屏蔽所有的干擾，所以可以利用PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行抗干擾處理，常用的措施有數(shù)字濾波、定時(shí)器控制采樣、信息冗余技術(shù)、設(shè)置“看門狗”等。（1）在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高信號的信噪比，可以通過軟件濾波的措施提高最終數(shù)據(jù)的可靠性。具體為：軟件可以連續(xù)多次進(jìn)行采樣，采樣間隔根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和信號頻率綜合決定，然后將采樣的結(jié)果分別存到不同的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過邏輯運(yùn)算取中間值或平均值作為最終輸入結(jié)果，提高輸入結(jié)果的可靠性。目前常用的濾波方法有中值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、算數(shù)平均值濾波、去極值平均濾波等。（2）在某些PLC控制系統(tǒng)的工作環(huán)境中，振動(dòng)比較劇烈，行程開關(guān)或按鈕可能會因?yàn)槎秳?dòng)而發(fā)出錯(cuò)誤信號，通常抖動(dòng)時(shí)間較短，對于這樣的問題可以通過在PLC內(nèi)部設(shè)置定時(shí)器進(jìn)行時(shí)間延時(shí)，從而可以得到消除抖動(dòng)的可靠信號，達(dá)到了抗干擾的目的。（3）在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用冗余信息技術(shù)提高信息的準(zhǔn)確性，如指令重復(fù)執(zhí)行就是根據(jù)需要多次得到命令信號才執(zhí)行，適用于某些開光量或數(shù)字量的輸入/輸出，即PLC控制系統(tǒng)接受到兩次或兩次以上的執(zhí)行信號才視為有效信號，如果多次接受的信號變化不定，就要停止接受，并發(fā)現(xiàn)報(bào)警，從而提高數(shù)據(jù)信號的可靠性，避免誤操作。

此外我們還以通過使用“看門狗”方法對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)一步提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 結(jié)束語

文章根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對PLC控制系統(tǒng)可能發(fā)生干擾的原因進(jìn)行了具體的分析，然后從電源優(yōu)化設(shè)計(jì)、電纜的選型及布置、I/O接口、接地方式等硬件以及軟件編程兩個(gè)方面對PLC控制系統(tǒng)的防干擾措施進(jìn)行了詳細(xì)的論述，為提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力提供了有力的技術(shù)支撐，但工業(yè)現(xiàn)場情況非常復(fù)雜，PLC控制系統(tǒng)的抗干擾方法應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)取舍，綜合利用軟、硬件方法達(dá)到最佳效果。

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