PLC控制系統的抗干擾措施

概述

自動化系統中所使用的各種類型PLC，有的是集中安裝在控制室，有的是分散安裝在生產現場的各單機設備上，雖然它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中，但PLC是專門為工業生產環境而設計的控制裝置，在設計和制造過程中采用了多層次抗干擾和精選元件措施，故具有較強的適應惡劣工業環境的能力、運行穩定性和較高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工業環境使用，但是由于它直接和現場的I/O設備相連，外來干擾很容易通過電源線 或I/O傳輸線侵入，從而引起控制系統的誤動作。PLC受到的干擾可分為外部干擾和內部干擾。在實際的生產環境下，外部干擾是隨機的，與系統結構無關，且干擾源是無法消除的，只能針對具體情況加以限制；內部干擾與系統結構有關，主要通過系統內交流主電路，模擬量輸入信號等引起，可合理設計系統線路來削弱和抑制內部干擾和防止外部干擾。要提高PLC控制系統的可靠性，就要從多方面提高系統的抗干擾能力。

分析硬件電路，提出硬件抗干擾措施

1、PLC控制系統的安裝和使用環境

PLC是專為工業控制設計的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工業環境使用。但是在PLC控制系統中，如果環境過于惡劣，或安裝使用不當，會降低系統的可靠性。PLC使用環境溫度通常在0℃ ～55℃范圍內，應避免太陽光直接照射，安裝位置應遠離發熱量大的器件，同時應保證有足夠大的散熱空間和通風條件。環境濕度一般應小于85%，以保證PLC有良好的絕緣。在含有腐蝕性氣體、濃霧或粉塵的場合，需將PLC封閉安裝。此外，如果PLC安裝位置有強烈的振動源，系統的可靠性也會降低，所以應采取相應的減振措施。

2 、PLC的電源與接地

PLC本身的抗干擾能力一般都很強。通常，只能將PLC的電源與系統的動力設備電源分開配線，對于電源線來的干擾，一般都有足夠強的抑制能力。但是，如果遇上特殊情況，電源干擾特別嚴重，可加接一個帶屏蔽層的隔離變壓器以減少設備與地之間的干擾，提高系統的可靠性。如果一個系統中含有擴展單元，則其電源必須與基本單元共用一個開關控制，也就是說，它們的上電與斷電必須同時進行。良好的接地是保證PLC安全可靠運行的重要條件。為了抑制附加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應給PLC接專用地線，并且接地點要與其它設備分開，如圖1（a）。若達不到這種要求，也可采用公共接地方式，如圖1（b）。但是禁止采用串聯接地方式，如圖1（c），因為它會使各設備間產生電位差而引入干擾。此外，接地線要足夠粗，接地電阻要小，接地點應盡可能靠近PLC 。

接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統是PLC控制系統抗干擾的重要措施之一。接地在消除干擾上起很大的作用。這里的接地是指決定系統電位的地，而不是信號系統歸路的接地。在PLC控制系統中有許多懸浮的金屬架，它們是懼空中干擾的空中線，需要有決定電位的地線。交流地是PLC控制系統供電所必需的，它通過變壓器中心點構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嚴重的干擾源。因此交流地線、直流地線、模擬地和數字地等必須分開。數字地和模擬地的共點地最好置懸浮方式。地線各點之間的電位差盡可能小，盡量加粗地線，有條件可采用環形地線。系統地端子(LG)是抗干擾的中性端子，通常不需要接地，可是，當電磁干擾比較嚴重時，這個端子需與接大地的端子(GR)連接。

3 、PLC的輸入、輸出設備

輸入電路是PLC接受開關量、模擬量等輸入信號的端口，其元器件質量的優劣、接線方式及是否牢靠也是影響控制系統可靠性的重要因素。以開關量輸入為例，按鈕、行程開關的觸點接觸要保持在良好狀態，接線要牢固可靠。機械限位開關是容易產生故障的元件，設計時，應盡量選用可靠性高的接近開關代替機械限位開關。此外，按鈕觸點的選擇也影響到系統的可靠性。在設計電路時，應盡量選用可靠性高的元器件，對于模擬量輸入信號來說，常用的有4～20mA、0～20mA直流電流信號；0～5V、0～10V直流電壓信號，電源為直流24V。

對于開關量輸出來說，PLC的輸出有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出三種形式，具體選擇哪種形式的輸出應根據負載要求來決定，選擇不當會使系統可靠性降低，嚴重時導致系統不能正常工作。如晶閘管輸出只能用于交流負載，晶體管輸出只能用于直流負載。此外，PLC的輸出端子帶負載能力是有限的，如果超過了規定的最大限值，必須外接繼電器或接觸器，才能正常工作。外接繼電器、接觸器、電磁閥等執行元件的質量，是影響系統可靠性的重要因素。常見的故障有線圈短路、機械故障造成觸點不動或接觸不良。這一方面可以通過選用高質量的元器件來提高可靠性，另一方面，在對系統可靠性及智能化要求較高的場合，可以根據電路中電流異常的情況對輸出單元的一些重點部位進行診斷，當檢測到異常信號時，系統按程序自動轉入故障處理，從而提高系統工作的可靠性。若PLC輸出端子接有感性元件，則應采取相應的保護措施，以保護PLC的輸出觸點。

為了防止或減少外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出應分別使用各自的電纜；對于集成電路或晶體管設備的輸入、輸出信號線、必須使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側懸空，而在控制側接地，其處理方式如圖2。

軟件抗干擾措施

硬件抗干擾措施的目的是盡可能地切斷干擾進入控制系統，但由于干擾存在的隨機性，尤其是在工業生產環境下，硬件抗干擾措施并不能將各種干擾完全拒之門外，這時，可以發揮軟件的靈活性與硬件措施相結合來提高系統的抗干擾能力。

1、利用"看門狗"方法對系統的運動狀態進行監控

PLC內部具有豐富的軟元件，如定時器、計數器、輔助繼電器等，利用它們來設計一些程序，可以屏蔽輸入元件的誤
信號，防止輸出元件的誤動作。在設計應用程序時，可以利用"看門狗"方法實現對系統各組成部分運行狀態的監控。如用PLC控制某一運動部件時，編程時可定義一個定時器作"看門狗"用，對運動部件的工作狀態進行監視。定時器的設定值，為運動部件所需要的最大可能時間。在發出該部件的動作指令時，同時啟動"看門狗"定時器。若運動部件在規定時間內達到指定位置，發出一個動作完成信號，使定時器清零，說明監控對象工作正常；否則，說明監控對象工作不正常，發出報警或停止工作信號。

2 、消抖

在振動環境中，行程開關或按鈕常常會因為抖動而發出誤信號，一般的抖動時間都比較短，針對抖動時間短的特點，可用PLC內部計時器經過一定時間的延時，得到消除抖動后的可靠有效信號，從而達到抗干擾的目的。

3 、用軟件數字濾波的方法提高輸入信號的信噪比

為了提高輸入信號的信噪比，常采用軟件數字濾波來提高有用信號真實性。對于有大幅度隨機干擾的系統，采用程序限幅法，即連續采樣五次，若某一次采樣值遠遠大于其它幾次采樣的幅值，那么就舍去之。對于流量、壓力、液面、位移等參數，往往會在一定范圍內頻繁波動，則采用算術平均法。即用n次采樣的平均值來代替當前值。一般認為：流量n= 12，壓力n=4最合適。對于緩慢變化信號如溫度參數，可連續三次采樣，選取居中的采樣值作為有效信號。對于具有積分器A/D轉換來說，采樣時間應取工頻周期(20ms)的整數倍。實踐證明其抑制工頻干擾能力超過單純積分器的效果