PLC控制系统设计及抗干扰研究
来源:用户上传
作者: 杨海晶
摘 要： PLC控制系统在工业应用中会受到各种干扰。本文介绍了PLC系统设计的原则，并从硬件和软件的角度提出了一些抗干扰的措施。
关键词： PLC控制系统 干扰源 抗干扰措施
可编程控制器即PLC，凭借其优越的控制性能，在现代工业中得到了日益广泛的应用。但工业控制系统中所使用的各种类型PLC，它们大都处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。为保证PLC能稳定可靠地工作，对PLC系统的设计必须有很高的要求，在设计中应考虑如何提高PLC控制系统的抗干扰能力。我们在PLC应用系统开发的过程中总结了一些经验，供大家借鉴。
一、PLC系统设计时必须遵循的原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，我们应遵循以下基本原则。
1.最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料。同时也要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
2.保证PLC控制系统安全可靠。
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等）也能正常工作。
3.力求简单、经济、使用及维修方便。
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面要注意不断地降低工程的成本。设计者不仅要使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
4.适应发展的需要。
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，在设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。设计者在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
二、PLC控制系统中的主要干扰源
PLC控制系统的干扰源大都是由电流或电压剧烈变化的部位产生的，这些电荷剧烈移动的部位是产生干扰的根本原因。PLC控制系统的干扰源主要有三类。
1.空间辐射干扰。
空间辐射电磁场主要是由电力网络、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的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：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，由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关。
2.内部型干扰。
内部型干扰主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用，等等。
3.外部型干扰。
（1）电源干扰。PLC系统由电网供电。电网内部的变化，如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，造成电压畸变都会通过输电线路传到PLC控制系统，形成强大的干扰。
（2）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。侵入途径为：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰。对于隔离性能差的系统，将引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。
（3）接地系统混乱引入的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段。正确地接地，能抑制电磁干扰的影响和抑制设备向外发出干扰；错误地接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱将引起PLC系统各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。
三、抗干扰措施
主要考虑来自系统外部的几种抑制措施，内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽，以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是动力电缆应分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。
1.从硬件着手加强抗干扰。
（1）选择抗干扰性能好的设备。要选择有较高抗干扰能力的产品，包括电磁兼容性（EMC），尤其是选择抗外部干扰能力强的产品。同时，还要了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比、允许住多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作。
（2）采用性能优良的电源。电源变压器是电源部分的主要元件，为了抑制电网中的干扰，一般选用隔离变压器，且变压器容量应比实际需要大1.2―1.5倍。在使用中应要求变压器的屏蔽层良好接地，次级线圈连接线要使用双绞线，以减少电源线间干扰。对于PLC的控制器电源，如果条件许可，还可在隔离变压器前增加低通滤波器，用来滤去交流电源中的高频分量或脉冲电流。对于直流供电，可用电容滤波，消除干扰对PLC系统的影响。变压器的初级和次级连接线均要使用双绞线，以减弱干扰信号，增强系统的可靠性。
（3）正确选择接地点。PLC控制系统应采用直接接地方式，最好采用一点接地和串联一点接地方式。PLC基本单元必须接地，如果选用扩展单元，其接地点与基本单元接地点接在一起。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地线与动力设备（如电动机）的接地点应分开。若达不到此要求，则可与其他设备公共接地，严禁与其他设备串联接地。
（4）科学选择和敷设电缆。交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线，要使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入输出侧要悬空，而在控制器侧要接地。信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各辱蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。
2.输入输出信号的抗干扰设计。
为了防止输入、输出信号受到干扰，应选用绝缘型I/0模块。
（1）输入信号的抗干扰设计。输入信号的输入线之间的差模干扰可以利用输入模块滤波来减小干扰，而输入线与大地间的共模干扰可通过控制器的接地来抑制。在输入端有感性负载输入信号抗干扰设计时，为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响，可采用硬件的可靠性容错和容差设计技术。
（2）输出信号的抗干扰设计。PLC输出端子若接有感性负载。输出信号由OFF变为ON或从ON变为OFF时都会有某些电量的突变而可能产生干扰。在设计时应采取相应的保护措施，以保PLC的输出触点。
3.软件抗干扰措施。
控制器的外部开关量和模拟量输入信号，由于噪声、干扰、开关的溟动作及模拟信号误差等因素的影响，不可避免会产生错误，引起程序判断失误，造成事故。当按钮、开关作为输入信号时，则不可避免产生抖动。输入信号是继电器触点，有时会产生瞬间跳动，引起系统误动作。因此，可采用定时器延时来去掉抖动，定时时间应根据触点抖动情况和系统要求的响应速度而定，这样可保证触点确实稳定闭合或断开。
对于模拟信号，可采用多种软件滤波方法来提高数据的可靠性。可连续采样多次，采样间隔根据A/D转换时问和信号的频率而定，采样数据先后存放在不同的数据寄存器中，经比较后取中间值或平均值作为当前输入值。
（1）程序判断滤波适用于采样信号因受到随机干扰或传感器不稳定而引起的失真。设计时根据经验确定两次采样允许的最大偏差。若先后两次采样的信号差值大于偏差，表明输入是干扰信号，应去掉；用上次采样值作为本次采样值。否则本次采样值有效。
（2）中值滤波是连续输入3个采样信号。从中选择一个中间值作为有效采样信号。
（3）滑动平均值滤波是将数据存储器的一个区域（20个单元左右）作为循环队列，每次采集数据时先去掉队首的一个数据，再把新数据放人队尾，然后求其平均值作为有效采样信号。
（4）去极值平均滤波是连续采样N次,求数据的累加和，同时找出其中的最大值和最小值，从累加和中减去最大值和最小值，再求N-2个数据的平均值作为有效的采样值。
（5）算术平均值滤波是求连续输入的N个采样数据的算术平均值作为有效的信号。它不能消除明显的脉冲干扰，只是削弱其影响，要提高效果可采用去极值平均滤波。
（6）防脉冲干扰平均咀滤波是连续进行4次采样，去掉其中的最大值和最小值，再求剩下的两个数据的平均值，它实际上是去极值平均滤波的特例。
在设计中还可以用线性插值法、二次抛物线插值法或分段曲线拟合等方法对数据进行非线性补偿，提高数据的线性度；也可采用零位补偿或自动零跟踪补偿等方法来处理零漂，修正误差，提高采样数据的精度。
还可进行信号相容性检查，包括开关信号之间的状态是否矛盾，模拟信号值的变化范围是否正常，开关量信号与模拟量信号之间是否一致，以及各信号的时序关系是否正确，等等。
四、结语
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。
参考文献：
［1］李道霖.电气控制与PLC原理及应用.电子工业出版社，2009.
［2］毕立海.解决PLC控制系统应用中干扰问题的方法.电气技术与自动化，2007.
［3］孙同景.可编程序控制器应用技术.山东科学技术出版社，2007.
［4］于庆广.可编程控制器原理及系统设计.清华大学出版社，2004.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-968602.htm
