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1 前言 工業(yè)的高速發(fā)展對控制系統(tǒng)的依賴性越來越強。分散型控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLC）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、工業(yè)控制機（IPC）以及各種測量控制儀表已是構(gòu)成工業(yè)自動化的主要硬件設(shè)施。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和控制系統(tǒng)集成化程度的提高，大規(guī)模集成芯片內(nèi)單位面積的元件數(shù)越來越多，所傳遞的信號電流也越來越小，系統(tǒng)的供電電壓也越來越低，現(xiàn)已降到5V、3V乃至1.8V。因此，芯片對外界的噪聲也越趨敏感，所以顯示出來的抗干擾能力也就很低。再則，相對于其它的電子信息系統(tǒng)，控制系統(tǒng)不但系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多，輸入/輸出（I/O）端口多，特別是外部的連接電纜又多又長，這類似于拾取噪聲的高效天線，給噪聲的耦合提供了充分的條件，使得各種噪聲容易侵入控制系統(tǒng)。 PLC具有編程簡單、通用性好、功能強、易于擴展等優(yōu)點，特別是采用了高集成度的微電子器件，具有很高的可靠性，能較強的適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中?，F(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中所使用的PLC，主要是集中安裝在主控室，它們大多處在強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，很容易被周圍干擾源干擾而引起控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作，影響系統(tǒng)的正常工作,因此必須重視系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計。為防止干擾,可以采用硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾方法。 2 PLC系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu) 可編程控制器硬件系統(tǒng)由PLC、功能I/O單元和外部設(shè)備組成,如圖1所示。其中PLC由CPU、存儲器、基本I/O模塊、I/O擴展接口、外設(shè)接口和電源等部分組成，各部分之間由內(nèi)部系統(tǒng)總線連接。 圖1 PLC系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu) 3 影響PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定的干擾類型 3.1 空間輻射干擾 空間的輻射電磁場（EMI）主要由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備、雷電、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、大型整流設(shè)備等產(chǎn)生，通常稱為輻射干擾。電氣設(shè)備、電子設(shè)備的高密度使用，使空間電磁波污染越來越嚴重，這些干擾源產(chǎn)生的輻射波頻率范圍廣，且無規(guī)律?？臻g輻射干擾以電磁感應(yīng)的方式通過檢測系統(tǒng)的殼體、導(dǎo)線等形成接收電路，造成對系統(tǒng)的干擾。若此時PLC置于其輻射場內(nèi)，其信號、數(shù)據(jù)線和電源線即可充當天線接受輻射干擾。此種干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場的大小，特別是與頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC 局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。 3.2 電源的干擾 PLC系統(tǒng)一般由工業(yè)用電網(wǎng)絡(luò)供電。工業(yè)系統(tǒng)中的某些大設(shè)備的啟動、停機等，可能引起電源過壓、欠壓、浪涌、下陷及產(chǎn)生尖峰干擾，這些電壓噪聲均會通過電源內(nèi)阻耦合到PLC系統(tǒng)的電路，給系統(tǒng)造成極大的危害。 3.3 來自信號傳輸線上的干擾 除了傳輸有效的信息外，PLC系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線總會有外部干擾信號的侵入。由信號線引入的干擾會引起I／O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。若系統(tǒng)隔離性能較差，還將導(dǎo)致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動作甚至死機。 3.4 數(shù)字電路引起的干擾 數(shù)字集成電路引出的直流電流雖然只有m，但是當電路處在高速開關(guān)時，就會形成較大的干擾。例如，TTL門電路在導(dǎo)通狀態(tài)下從直流電源引出5mA左右的電流，截至狀態(tài)下則為lmA，在5ns的時間內(nèi)其電流變化為4mA，如果在配電線上具有0.5μH的電感，當這個門電路改變狀態(tài)時，配電線上產(chǎn)生的噪聲電壓為： U=L x di/dt=0.5x 10-6 x 4x10-3 /5x10-9=0.4V 如果把這個數(shù)值乘上典型系統(tǒng)的大量門的數(shù)值，雖然這種門電路的供電電壓僅為5V，但所引起的干擾噪聲將是非常嚴重的。 在處理脈沖數(shù)字電路時，對脈沖中包含的頻譜應(yīng)有一個粗略概念，如果脈沖上升時間t已知，可用近似公式求出其等效頻率：fmax=1/2πt1.4 PLC系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的干擾。 4 PLC系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計 4.1接地抗干擾設(shè)計 接地在消除干擾上起很大的作用，良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件之一，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應(yīng)給PLC接以專用地線，接地線與動力設(shè)備（如電動機）的接地點應(yīng)分開，若達不到此要求，則可與其它設(shè)備公共接地，嚴禁與其它設(shè)備串聯(lián)接地。接地電阻要小于5Ω，接地線要粗，面積要大于2平方毫米，而且接地點靠近PLC裝置，其間的距離要小于50米，接地線應(yīng)避開強電回路，若無法避開時，應(yīng)垂直相交，縮短平行走線的長度。 4.2 電源部分的抗干擾設(shè)計 電源波動造成的電壓畸變或毛刺，將對PLC及I／O模塊產(chǎn)生不良影響。據(jù)統(tǒng)計分析，PLC系統(tǒng)的干擾中有70％是從電源耦合進來的。為了抑制干擾， PLC供電系統(tǒng)可采用如下方式，控制器和I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離變壓器供電，并與主電路電源分開。當某一部分電源出了故障時，而不會影響其他部分，如輸入、輸出供電中斷時，控制器仍能繼續(xù)供電，提高了系統(tǒng)的可靠性。 4.3 輸入輸出信號的抗干擾設(shè)計 為了防止輸入、輸出信號受到干擾，應(yīng)選用絕緣型I/O模塊。 4.3.1 輸入信號的抗干擾設(shè)計 輸入信號的輸入線之間的差模干擾可以利用輸入模塊濾波來減小干擾，而輸入線與大地間的共模干擾可通過控制器的接地來抑制。在輸入端有感性負載時，為了防止電路信號突變而產(chǎn)生感應(yīng)電勢的影響，可采用硬件的可靠性容錯和容差設(shè)計技術(shù)，對于交流輸入信號，可在負載兩端并聯(lián)電容C和電阻R，對于直流輸入信號，可并接續(xù)流二極管D。一般負載容量在10VA以下時，應(yīng)選C為0.1μF，R為120 ，當負載容量在10VA以上時，應(yīng)選C為0.47μF，R為47 。具體電路如圖2所示：
圖2 輸入信號的抗干擾設(shè)計 4.3.2 輸出電路的抗干擾設(shè)計 對于PLC系統(tǒng)為開關(guān)量輸出，可有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出三種形式。具體選擇要根據(jù)負載要求來決定。若負載超過了PLC的輸出能力，應(yīng)外接繼電器或接觸器，才可正常工作。 PLC輸出端子若接有感性負載，輸出信號由OFF變?yōu)镺N或從ON變?yōu)镺FF時都會有某些電量的突變而可能產(chǎn)生干擾。在設(shè)計時應(yīng)采取相應(yīng)的保護措施，以保護PLC的輸出觸點，如圖3所示。對于直流負載，通常是在線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管D，二極管應(yīng)盡可能靠近負載，二極管可為1A的管子。對于交流負載，應(yīng)在線圈兩端并聯(lián)RC吸收電路，根據(jù)負載容量，電容可取0.1μF～0.47μF，電阻可取47Ω～120Ω，且RC盡可能靠近負載。 4.4 外部配線的抗干擾設(shè)計 外部配線之間存在著互感和分布電容，進行信號傳送時會產(chǎn)生竄擾。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、輸出信號應(yīng)分別使用各自的電纜。集成電路或晶體管設(shè)備的輸入、輸出信號線，要使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側(cè)要懸空，而在控制器側(cè)要接地。配線時在30米以下的短距離，直流和交流輸入、輸出信號線不要使用同一電纜，如果要走同一配線管時，輸入信號要使用屏蔽電纜。30米～300米距離的配線時，直流和交流輸入、輸出信號線要分別使用各自的電纜，并且輸入信號線一定要用屏蔽線。對于300米以上長距離配線時，則可用中間繼電器轉(zhuǎn)換信號，或使用遠程I/O通道。對于控制器的接地線要與電源線或動力線分開，輸入、輸出信號線要與高電壓、大電流的動力線分開配線。 4.5 軟件抗干擾設(shè)計 盡管硬件抗干擾可濾除大部分干擾信號，但因干擾信號產(chǎn)生的原因很復(fù)雜。且具有很大的隨機性，很難保證系統(tǒng)不受干擾。因此往往在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上．采取軟件抗干擾技術(shù)加以補充，作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾方法沒計簡單、修改靈活、耗費資源少，在PLC測控系統(tǒng)中同樣獲得了廣泛的應(yīng)用。對于PLC測控裝置，其數(shù)據(jù)輸入、輸出、存儲等系統(tǒng)屬于弱電系統(tǒng)，如果工作環(huán)境中存在干擾，就有可能使數(shù)據(jù)受干擾而破壞，從而造成數(shù)據(jù)誤差、控制狀態(tài)失靈、程序狀態(tài)和某些器件的工作狀態(tài)被改變，嚴重時會使系統(tǒng)程序破壞。一般采用指令重復(fù)執(zhí)行和數(shù)字濾波兩種方法。
圖3 PLC輸出觸點的保護
4.5.1 指令重復(fù)執(zhí)行 指令重復(fù)執(zhí)行就是根據(jù)需要使作用相同的指令重復(fù)執(zhí)行多次，一般適用于開關(guān)量或數(shù)字量輸入，輸出的抗干擾。在采集某些開關(guān)量或數(shù)字量時，可重復(fù)采集多次，直到連續(xù)兩次或兩次以上的采集結(jié)果相同時才視為有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，發(fā)出報警信號。在滿足實時性要求的前提 ，如果在各次采集數(shù)守信號之間插入一段延時，數(shù)據(jù)的可靠性會更高。如果在系統(tǒng)實時性要求不是很高的情況下，其指令重復(fù)周期盡可能長些。 4.5.2 數(shù)字濾波
5 結(jié)束語 隨著PLC應(yīng)用范圍的逐漸擴大，加之系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境，它所要克服的干擾就會越來越多，盡管PLC本機的可靠度很高。但是在系統(tǒng)設(shè)計和安裝時，仍必須對環(huán)境作全面的分析，確定干擾的性質(zhì)，采取相應(yīng)的抗干擾措施，以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作。 |
