PLC控制系統(tǒng)常見干擾及應(yīng)對(duì)措施

趙孝武

摘 要：PLC抗干擾能力強(qiáng)有利于整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，文章從探究干擾PLC的影響因素上分析，研究了從硬件和軟件上如何進(jìn)行抗干擾，提出了相應(yīng)的抗干擾措施，硬件能夠抑制干擾源，軟件對(duì)抗干擾具有輔助作用，在這兩方面進(jìn)行抗干擾的優(yōu)化，能夠提升PLC系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)；抗干擾；硬件；軟件

中圖分類號(hào)：TM921.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0158-02

引言

PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力與系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性有很大關(guān)系，本文首先對(duì)干擾因素進(jìn)行分析，確定了干擾因素主要有空間輻射，系統(tǒng)本身的干擾和系統(tǒng)外部的干擾，并且根據(jù)這些干擾因素，提出了具有針對(duì)性的建議，從硬件和軟件兩部分內(nèi)容上進(jìn)行抗干擾，硬件抗干擾主要是阻斷干擾源，對(duì)干擾源進(jìn)行控制，但是硬件抗干擾并不能完全阻斷干擾，因此又研究了軟件抗干擾，將硬件抗干擾與軟件抗干擾進(jìn)行結(jié)合，就可以有效的應(yīng)對(duì)干擾，實(shí)現(xiàn)PLC的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 干擾PLC控制系統(tǒng)的因素分析

1.1 輻射干擾

通過(guò)空間以電磁波形式傳播的電磁干擾稱為輻射干擾，是由高頻感應(yīng)設(shè)備、電力網(wǎng)絡(luò)、大型整流變壓變頻設(shè)備、無(wú)線電廣播、雷達(dá)、雷電、電視等運(yùn)行產(chǎn)生的。如果PLC控制系統(tǒng)處在輻射中，則它的數(shù)據(jù)線、電源線和信號(hào)線都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘炀€，因此受到輻射的干擾[1]。這其中，主要是兩個(gè)路徑，一是對(duì)PLC內(nèi)部電路感應(yīng)的輻射干擾，二是對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)通訊線路的輻射干擾[2]。

1.2 系統(tǒng)本身的干擾

PLC系統(tǒng)本身也會(huì)產(chǎn)生干擾，這主要是由于系統(tǒng)中各電路和元器件的輻射所產(chǎn)生的，如元器件之間不匹配、信號(hào)之間相互影響、邏輯電路之間有輻射等，在使用過(guò)程中系統(tǒng)本身的干擾不能消除，但是在系統(tǒng)選擇上要盡量選擇經(jīng)過(guò)多重實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的PLC控制系統(tǒng)。

1.3 外部干擾

首先是電源干擾，這又分為三個(gè)層面：一是PLC控制系統(tǒng)中大型設(shè)備的啟用和關(guān)停造成的欠電壓和過(guò)電壓等；二是電網(wǎng)短路造成的沖擊、工業(yè)電網(wǎng)大型設(shè)備啟動(dòng)或者停止、交直流傳動(dòng)裝置所引起的諧波等；三是SCR、IGBT、GTO等運(yùn)行期間產(chǎn)生的高次諧波、寄生振蕩、噪聲等，這些都會(huì)對(duì)PLC造成干擾，產(chǎn)生很大的危害[3]。其次是信號(hào)傳輸干擾，PLC各類信號(hào)輸出線，在信息傳輸過(guò)程中，受空間輻射干擾，或者通過(guò)公用信號(hào)或者變送器進(jìn)行干擾，這些被稱作是容性耦合干擾和感性耦合干擾。最后是接地系統(tǒng)的干擾。PLC系統(tǒng)的地線包括模擬地、數(shù)字地、直流地、保護(hù)地、屏蔽地、信號(hào)地等，接地良好可以保證PLC的可靠運(yùn)行，接地的混亂可能造成電位分布不均勻和電位差的存在而引起干擾，這會(huì)影響PLC的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2 硬件抗干擾的措施

2.1 空間電磁輻射抗干擾

PLC的電磁輻射干擾分為差模干擾和共模干擾，濾波元件是差模干擾的主要抑制器，讓一只濾波電容接在兩根電源線上，可以形成簡(jiǎn)單的濾波電路，這能夠有效的起到抗干擾的作用，此外，采用屏蔽和隔離的方式也能夠很好地抗擊干擾；對(duì)于抑制共模干擾，最簡(jiǎn)單的辦法就是在信號(hào)線上加裝一個(gè)共模扼流圈，就能起到很好的抑制效果。

2.2 高性能的電源

PLC干擾中有70%的干擾是從電源耦合中進(jìn)入系統(tǒng)的，因此選擇高性能的電源可以有效地進(jìn)行抗干擾。首先，可以將直流傳感器電源接地，然后選用隔離性質(zhì)的電源，在一次側(cè)和二次側(cè)分別加裝屏蔽層，注意要將屏蔽層接地，并且，為了防止再次出現(xiàn)共模干擾，可以將輸入線和輸出線都采用雙絞線。實(shí)踐中運(yùn)用此方法進(jìn)行多層抗干擾，則效果非常好。其次，要選用具有較強(qiáng)抗干擾能力的濾波器，可以防止系統(tǒng)本身存在較大的輻射干擾，若存在嚴(yán)重干擾的時(shí)候，可以將濾波器接入電源之后，通過(guò)隔離變壓器來(lái)抗干擾。再次，可以運(yùn)用隔離供電的方式，將PLC設(shè)備、I/O設(shè)備等分別由自己的供電設(shè)備供電，與總電路分開。也可以選擇不同的配電器與變送器分別與控制系統(tǒng)相連，進(jìn)行多次隔離，加強(qiáng)抗干擾效果，最后，為了供電的可靠，可以選用在線式不間斷供電來(lái)阻斷干擾，實(shí)現(xiàn)電源方面干擾的隔離和減弱。

2.3 I/O信號(hào)抗干擾

這分為四個(gè)方面的內(nèi)容：其一，當(dāng)輸入為感性元件時(shí)，閉合觸點(diǎn)會(huì)有電弧產(chǎn)生，斷開觸點(diǎn)則會(huì)出現(xiàn)反電勢(shì)，直流電路可以通過(guò)并聯(lián)二極管解決問(wèn)題，交流電路可以通過(guò)并聯(lián)RC解決問(wèn)題；其二，輸出為感性負(fù)載時(shí)，交流負(fù)載中，可以通過(guò)在負(fù)載兩側(cè)并聯(lián)RC浪涌吸收裝置或者是壓敏電阻來(lái)抗干擾，壓敏電阻的額定電壓值應(yīng)該在電源電壓最大值的1.3倍以上，在進(jìn)行RC串聯(lián)后，RC應(yīng)該靠近負(fù)載，直流負(fù)載中，可以讓繼電器線圈觸頭與聯(lián)續(xù)流二極管并聯(lián)解決問(wèn)題；其三，長(zhǎng)線傳輸中的光耦浮置的處理，在較長(zhǎng)的線路中，運(yùn)用兩極光電耦合，將線路浮置，切斷環(huán)路，可以解決阻抗匹配問(wèn)題，并且還可以消除噪聲電壓和保護(hù)系統(tǒng)，如圖1所示；其四，I/O信號(hào)漏電處理，當(dāng)信號(hào)源時(shí)，為了降低外部負(fù)載電流和輸入電流，減少阻抗，可以通過(guò)在輸入輸出端口處并聯(lián)旁路電阻。

2.4 外部配線

PLC的穩(wěn)定可靠運(yùn)行與外部配線如何設(shè)計(jì)也有很大的關(guān)系，尤其是距離較遠(yuǎn)間的傳送，運(yùn)用屏蔽線和雙絞線是有效的抗干擾方法。屏蔽線對(duì)磁場(chǎng)干擾的屏蔽和電場(chǎng)干擾的屏蔽都有很明顯的效果。雙絞線兩個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生相反的電動(dòng)勢(shì)，可以很好地抗干擾。

2.5 完善接地系統(tǒng)

一個(gè)好的接地系統(tǒng)可以保證PLC的安全高效運(yùn)行，還可以抑制外來(lái)干擾，并且還能夠減少PLC對(duì)外界釋放二次污染。系統(tǒng)接地方式可以分為浮地式接地、電容式接地和直接接地，PLC控制系統(tǒng)中選擇直接接地。

3 軟件抗干擾措施

硬件抗干擾措施在很大程度上抑制了干擾，但是很少有消除的時(shí)候，因此還需要在軟件上去努力，消除干擾。

3.1 消除“抖動(dòng)”干擾

元件在接通時(shí)，有時(shí)會(huì)因?yàn)榻佑|的時(shí)斷時(shí)續(xù)而產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào)，通常來(lái)講，在用普通的輸出法時(shí)，如果輸入的數(shù)據(jù)發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)同樣會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，這時(shí)，在算法中加入一個(gè)定時(shí)器，將輸出延時(shí)，讓輸入的觸點(diǎn)接通時(shí)長(zhǎng)大于延時(shí)的時(shí)間，則干擾會(huì)被過(guò)濾掉，不會(huì)對(duì)輸出有影響。

3.2 互鎖程序保護(hù)

為了進(jìn)一步提升PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，只有軟件互鎖是不夠的，應(yīng)該在硬件與軟件中加入互鎖功能，當(dāng)觸點(diǎn)燒死，接觸器線圈失電，輔助觸點(diǎn)在物理上并沒(méi)有斷開，就會(huì)造成三線電源短路。但是在PLC接線過(guò)程中，在硬件和軟件中同時(shí)加入互鎖功能，能夠保證正反接觸器不會(huì)在同一時(shí)間接通，即不會(huì)同時(shí)存在電壓，避免發(fā)生三相短路事故。

3.3 數(shù)字濾波

數(shù)字濾波的運(yùn)用能夠有效的降低信號(hào)的信噪比，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，可以存在不同的數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中，利用數(shù)字濾波將干擾信號(hào)過(guò)濾掉，留下有效的信號(hào)。常用的數(shù)字濾波方式有滑動(dòng)平均值濾波（遞推平均濾波法）、防脈沖干擾均值濾波（中位值平均濾波法）、程序判斷濾波（限幅濾波法）、算數(shù)平均值濾波和中值濾波等。

3.4 軟件容錯(cuò)

干擾信號(hào)較多，I/O長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)輻射較強(qiáng)等多種原因都會(huì)引起I/O信號(hào)輸出產(chǎn)生錯(cuò)誤，運(yùn)用容錯(cuò)技術(shù)能夠在信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，及時(shí)進(jìn)行改正補(bǔ)救，保證PLC控制系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行。軟件容錯(cuò)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：一是軟件延時(shí)，對(duì)于控制、開關(guān)量、檢測(cè)信號(hào)這類易抖動(dòng)的應(yīng)該加裝延時(shí)器，對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行多次讀取，可以有效消除干擾；二是對(duì)死循環(huán)處理，在程序死循環(huán)時(shí)，要分清是主故障還是次故障，再對(duì)其進(jìn)行處理；三是程序修復(fù)技術(shù)，在程序運(yùn)行過(guò)程中，若出現(xiàn)故障，可以重復(fù)行使指令，若執(zhí)行多次之后成功，這說(shuō)明之前存在干擾，現(xiàn)已被消除，若依然沒(méi)成功，則可能程序本身存在錯(cuò)誤。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著PLC控制系統(tǒng)的廣泛使用和相應(yīng)技術(shù)的不斷提升，PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，受到的干擾越來(lái)越多，需要防控的干擾也越來(lái)越多，PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用。本文作者通過(guò)實(shí)踐中的研究，找出了PLC運(yùn)行過(guò)程中的干擾因素，并且從全方面考慮，運(yùn)用硬件和軟件并行的措施來(lái)加強(qiáng)PLC控制系統(tǒng)抗干擾的能力，有效降低了PLC控制系統(tǒng)出故障的幾率，增強(qiáng)了PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力，有利于PLC控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，在廣泛的應(yīng)用中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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