PLC應(yīng)用中的可靠性和抗干擾技術(shù)

       隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能也越來越強，使用越來越方便。但是，整機的可靠性高只是保證系統(tǒng)可靠工作的前提，在設(shè)計和安裝PLC系統(tǒng)的過程中還要采取相應(yīng)的措施，才能保證系統(tǒng)可靠工作。如果PLC的工作環(huán)境過于惡劣，如溫度過高、濕度過大、振動和沖擊過強，以及電磁干擾嚴重或安裝使用不當(dāng)?shù)?，都會直接影響PLC的正常、安全和可靠運行。如果外圍電路的抗干擾措施不當(dāng)，整個控制系統(tǒng)的可靠性就大大降低。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)予以充分的考慮，在硬件上進行適當(dāng)?shù)呐渲?，并輔以相應(yīng)的軟件，以實現(xiàn)系統(tǒng)故障的防范。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，系統(tǒng)的抗干擾能力是整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。因此，分析研究PLC應(yīng)用中的可靠性和抗干擾技術(shù)是十分必要的。要提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，既要在硬件上采取措施，又要在軟件上設(shè)計相應(yīng)的保護程序。
　　1.PLC控制系統(tǒng)中的干擾源
　　PLC系統(tǒng)的干擾源根據(jù)其來源分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源兩類，一般主要包括以下幾個方面。
　?。?）來自電氣控制柜設(shè)備內(nèi)部的干擾
　?、賮碜訮LC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，主要由PLC系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，數(shù)字地、模擬地和系統(tǒng)地處理不當(dāng)而相互影響，以及元器件間的相互不匹配使用等。這屬于PLC制造商對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容，作為使用者是無法改變的。
　?、陔姎饪刂乒裰惺褂弥T如大功率變頻器和交流接觸器等容易產(chǎn)生干擾的器件。此類干擾有電路參數(shù)和工作點選擇不當(dāng)而引起的震蕩或波形畸變、快速上升的脈沖源以及在信號傳送時阻抗的不匹配、器件的物理噪聲（如元件熱噪聲、觸點熱電勢等）。
　　③由于元器件布局不合理造成的內(nèi)部信號相互串?dāng)_。如線路中存在的電容性元件引起的寄生振蕩以及由于電路邏輯設(shè)計和系統(tǒng)電氣設(shè)計不合理所產(chǎn)生的干擾。
　?。?）來自電氣控制柜外部的干擾
　?、賮碜噪娫吹母蓴_。由于PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電，因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多，如高壓斷路器、隔離開關(guān)、大容量變壓器等的影響，大型電力設(shè)備起停和交直流傳動裝置引起的諧波，各種電氣設(shè)備（電動機、空氣開關(guān)等）、電焊機及電力系統(tǒng)的短路故障等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但制造工藝等因素使其隔離性并不理想。由于分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。
　?、趤碜孕盘柧€引入的干擾。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號線除了傳送各類有效的信息之外，還會受到空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾。這類干擾信號會引起PLC的I/O信號工作異常。
　　③來自接地系統(tǒng)的干擾。由地線侵入的靜電耦合或電磁耦合可對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在PLC控制系統(tǒng)中，由于各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，形成共模噪聲，影響系統(tǒng)正常工作。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)會出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其他接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。正確的接地既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾。錯誤的接地不僅會引入干擾信號，接地線本身還會成為天線向外輻射噪聲，干擾PLC控制系統(tǒng)的正常工作。
　?、馨粹o、繼電器等工作時觸點間產(chǎn)生的電弧、靜電產(chǎn)生的火花放電、外界的高頻加熱器、高頻淬火設(shè)備、雜亂的無線電波信號等帶來的干擾等。
　?。?）其他干擾
　　①雷擊造成的過電壓和過電流。
　　②溫度變化引起的接觸電阻的變化。
　　③機械振動。
　　2.干擾途徑
　　PLC控制系統(tǒng)受到干擾的主要途徑有電源線、輸入/輸出線和空間傳播等。電源受干擾后，PLC控制系統(tǒng)的供電質(zhì)量變差，會引起PLC控制失靈。輸入/輸出線受干擾后，會出現(xiàn)輸入/輸出控制紊亂。空中干擾主要以電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)形式使PLC的CPU出現(xiàn)誤操作。
　　3.PLC控制系統(tǒng)中的抗干擾措施
　　PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計在系統(tǒng)設(shè)計中占有重要地位，在實際設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的具體特點和應(yīng)用環(huán)境的具體條件，靈活地選擇行之有效的可靠性設(shè)計技術(shù)和抗干擾措施，全面、合理地考慮系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計，從總體上提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。
　　PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復(fù)雜的問題，因此在抗干擾設(shè)計中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對有些干擾情況還需做具體分析。在實際開發(fā)過程中，應(yīng)充分考慮到對PLC的各種不利因素，在硬件、軟件的設(shè)計和安裝中采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施，才能保證控制系統(tǒng)安全、可靠地運行。
　　要提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，針對干擾產(chǎn)生的原因，必須從設(shè)計階段就采取相應(yīng)的抑制措施，常見的措施有提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力、抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑等

　　工程設(shè)計人員僅僅了解抗干擾的原則，掌握抗干擾的最基本措施還不夠，許多情況下干擾源對系統(tǒng)的干擾不是那么明顯，應(yīng)綜合考慮各方面的因素，在實踐中不斷總結(jié)。在實際的工程設(shè)計中通常采用的主要抗干擾措施有：
　?。?）選擇抗干擾能力強的產(chǎn)品
　　在控制系統(tǒng)的設(shè)備選型階段，考慮到各廠家PLC抗干擾性能的優(yōu)劣，選型時就需選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC），尤其是抗外部干擾的能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC。其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠家給出的抗干擾指標(biāo)，如共模抑制比、差模抑制比、耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環(huán)境中工作等。另外最好的方法是考察該型號PLC在類似工作環(huán)境中的使用情況。
　?。?）采用性能好的電源，抑制電網(wǎng)干擾
　　在PLC控制系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源（如CPU電源、I/O電源等）、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入。PLC系統(tǒng)的供電電源一般都采用隔離性能較好的電源，變送器的電源及與PLC有直接電氣連接的儀表的供電電源應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù)）的產(chǎn)品，以減少對PLC系統(tǒng)的干擾。
　　此外，PLC電源要與整個供電系統(tǒng)的動力電源分開，一般在進入PLC系統(tǒng)時加屏蔽隔離變壓器。屏蔽隔離變壓器的次級側(cè)至PLC系統(tǒng)間必須采用不小于2mm2的雙絞線。屏蔽體一般位于一、二次側(cè)兩線圈之間并與大地連接，這樣就可消除線圈間的直接耦合。另外，電源諧波比較嚴重時，可在隔離變壓器前面加濾波器來消除電源的大部分諧波。必要時可在供電的電源線路上接入低通濾波器，以濾去高頻干擾信號。濾波器應(yīng)放在隔離變壓器之前，即先濾波后隔離。分離供電系統(tǒng)，將控制器、I/O通道和其他設(shè)備的供電采用各自的隔離變壓器分離開來，也有助于抗電網(wǎng)干擾。
　?。?）電纜的選擇和敷設(shè)
　　PLC控制系統(tǒng)的線路中有電源線、輸入/輸出線、動力線和接地線，布線不當(dāng)則會造成電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)等干擾，因此必須按照特定的要求布線。動力電纜為高壓大電流線路，PLC系統(tǒng)的配線靠近時會受到干擾，因此布線時要將PLC的輸入/輸出線與其他控制線分開，不要共用一條電纜。開關(guān)量信號線與模擬量信號線也應(yīng)分開布線，而且后者應(yīng)采用屏蔽線，并且將屏蔽層接地。數(shù)字傳送線也要采用屏蔽線，并且要將屏蔽層接地。外部布線時應(yīng)將控制電纜、動力電纜、輸入/輸出線分開且單獨布線，相互之間一般應(yīng)保持30cm以上的間距。當(dāng)實際情況只能允許在同一線槽布線時，就用金屬板把控制電纜、動力電纜、輸入/輸出線間隔開來并屏蔽，金屬板還必須接地。隔離變壓器二次側(cè)的電源線要采用2mm2以上的銅芯聚氯乙烯絕緣雙絞軟線。經(jīng)過這樣處理的電源線、輸入/輸出線與動力線就可以減少外界磁場及相互之間的干擾。
　?。?）安裝中的抗干擾措施
　　PLC控制系統(tǒng)所處的環(huán)境對其自身的抗干擾也有一定的關(guān)系，因此在安裝時應(yīng)注意以下幾個方面。
　　①濾波器、隔離穩(wěn)壓器應(yīng)設(shè)在PLC控制柜的電源進線口處，不讓干擾進入控制柜內(nèi)，或盡量縮短進線距離。
　?、赑LC控制柜應(yīng)盡可能遠離高壓柜、大動力設(shè)備和高頻設(shè)備。
　?、跴LC要盡可能遠離繼電器之類的電磁線圈和容易產(chǎn)生電弧的觸點。
　?、躊LC要遠離發(fā)熱的電氣設(shè)備或其他熱源，并放在通風(fēng)良好的位置上。
　　⑤PLC的外部要有可靠的防水措施，以防止雨水進入，造成機器損壞。
　?。?）正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)
　　接地的目的通常有兩個，一是為了安全，二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。
　　系統(tǒng)接地方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地3種。PLC控制系統(tǒng)屬于高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC控制系統(tǒng)的接地線一般采用一點接地和串聯(lián)一點接地的方式，最好單獨接地，也可以與其他設(shè)備公共接地，但嚴禁與其他設(shè)備串連接地。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應(yīng)采用串聯(lián)一點接地的方式，即用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點，然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于20mm2的銅導(dǎo)線，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻應(yīng)小于2Ω，接地極最好埋在距建筑物10～15m遠處，而且PLC系統(tǒng)的接地點必須與強電設(shè)備的接地點相距10m以上。
　　信號源接地時，屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地，不接地時應(yīng)在PLC側(cè)接地。信號線中間有接頭時，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地。多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理。連接接地線時，應(yīng)注意以下幾點：
　　①PLC控制系統(tǒng)單獨接地。
　　②PLC系統(tǒng)的接地端是抗干擾的中性端子，正確接地可以有效消除電源系統(tǒng)的共模干擾。
　?、跴LC系統(tǒng)的接地線至少用20mm2的專用接地線，以防止感應(yīng)電的產(chǎn)生。
　?、茌斎?輸出信號電纜的屏蔽線應(yīng)與接地端子連接，且接地良好。
　　（6）外圍設(shè)備干擾的抑制
　?、貾LC輸入/輸出端子的保護
　　當(dāng)輸入信號源為感性元件，輸出驅(qū)動的負載為感性元件時，對于直流電路應(yīng)在其兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。對于交流電路，應(yīng)在其兩端并聯(lián)阻容吸收電路。其作用是為了防止在感性輸入或輸出電路斷開時產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢或浪涌電流對PLC輸入/輸出端和內(nèi)部電源的沖擊，若PLC的驅(qū)動元件主要是電磁閥和交流接觸器線圈，應(yīng)在PLC輸出端與驅(qū)動元件之間增加光電隔離的過零型固態(tài)繼電器。
　?、谳斎?輸出信號的防錯
　　當(dāng)輸出元件為雙向晶閘管或晶體管而外部負載又很小時，因為這類輸出元件在關(guān)斷時有較大的漏電流，使輸入電路和外部負載電路不易關(guān)斷，導(dǎo)致輸入/輸出信號的錯誤，為此應(yīng)在這類輸入/輸出端并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC的輸入電流和外部負載上的電流。
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　　當(dāng)采用接近開關(guān)、光電開關(guān)等直流兩線式傳感器輸入信號時，若漏電流較大，應(yīng)考慮由此而產(chǎn)生的誤動作，使PLC輸入信號不能關(guān)斷。一般在PLC的輸入端子上接一旁路電阻，以減少輸入阻抗。同樣用雙向晶閘管輸出時，為避免漏電流等原因引起的輸出元件關(guān)斷不了，也可以在輸出端并聯(lián)一旁路電阻。
　　④浪涌電壓
　　在PLC觸點（開關(guān)量）輸出的場合，不管PLC本身有無抗干擾措施，都應(yīng)采用RC吸收回路（交流負載）或并接續(xù)流二級管（直流負載），以吸收感性負載產(chǎn)生的浪涌電壓。
　?、輿_擊電流
　　用晶體管或雙向晶閘管輸出模塊驅(qū)動白熾燈之類的負載時，為保護輸出模塊，應(yīng)在PLC輸出端并接旁路電阻或與負載串聯(lián)限流電阻。
　?。?）電磁干擾的抑制
　　根據(jù)干擾模式的不同，PLC控制系統(tǒng)的電磁干擾分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射等在信號線上感應(yīng)的電壓疊加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電時，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞（這是PLC系統(tǒng)I/O模塊損壞率較高的主要原因）。這種共模干擾可為直流，也可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間的感應(yīng)以及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓。這種電壓疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。為了保證PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中免受或減少電磁干擾，一般采用隔離和屏蔽的方法。
　　（8）軟件抗干擾措施
　　由于電磁干擾的復(fù)雜性，要根本消除干擾的影響是不可能的，因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和組態(tài)時，還應(yīng)在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。
　　由于噪聲、開關(guān)的誤動作、模擬信號誤差等因素的影響，PLC的外部開關(guān)量和模擬量輸入信號會出現(xiàn)錯誤，引起程序判斷失誤，造成事故。當(dāng)按鈕、開關(guān)作為輸入信號時，則不可避免產(chǎn)生抖動。如果輸入信號是繼電器/接觸器觸點，有時會產(chǎn)生瞬間跳動，引起系統(tǒng)誤動作。在這種情況下，可采用定時器延時來去掉抖動，定時時間根據(jù)觸點抖動情況和系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度而定，這樣可保證觸點確實穩(wěn)定閉合（或斷開）后才執(zhí)行特定的任務(wù)處理。
　　對于模擬信號可采用多種軟件濾波方法來提高數(shù)據(jù)的可靠性。連續(xù)采樣多次，采樣間隔根據(jù)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換時間和信號的變化頻率而定。采樣數(shù)據(jù)先后存放在不同的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)比較后取中間值或平均值作為當(dāng)前輸入值。常用的數(shù)字濾波方法有程序判斷濾波、中值濾波、滑動平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算術(shù)平均值濾波、去極值平均濾波等。
　?、俪绦蚺袛酁V波適用于對采樣信號因受到隨機干擾或傳感器不穩(wěn)定而引起的失真進行濾波。設(shè)計時根據(jù)經(jīng)驗確定兩次采樣允許的最大偏差，若先后兩次采樣的信號差值大于偏差，表明輸入是干擾信號，應(yīng)去掉，用上次采樣值作為本次采樣值。若差值不大于偏差，則本次采樣值有效。
　?、谥兄禐V波是連續(xù)輸入3個采樣信號，從中選擇中間值作為有效采樣信號。
　?、刍瑒悠骄禐V波是將數(shù)據(jù)存儲器的一個區(qū)域（20個單元左右）作為循環(huán)隊列，每次數(shù)據(jù)采集時先去掉隊首的一個數(shù)據(jù)，再把新數(shù)據(jù)放入隊尾，然后求平均值。
　?、苋O值平均濾波是連續(xù)采樣n次，求數(shù)據(jù)的累加和，同時找出其中的最大值和最小值，從累加和中減去最大值和最小值，再求（n－2）個數(shù)據(jù)的平均值作為有效的采樣值。
　　⑤算術(shù)平均值濾波是求連續(xù)輸入的n個采樣數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為有效的信號。它不能消除明顯的脈沖干擾，只是削弱其影響。要提高效果可采用去極值平均濾波。
　?、薹烂}沖干擾平均值濾波是連續(xù)進行4次采樣，去掉其中的最大值和最小值，再求剩下的兩個數(shù)據(jù)的平均值。它實際上是去極值平均濾波的特例。
　　在設(shè)計中還可以用線性插值法、二次拋物線插值法或分段曲線擬合等方法對數(shù)據(jù)進行非線性補償，提高數(shù)據(jù)的線性度。也可采用零位補償或自動零跟蹤補償?shù)确椒▉硖幚砹闫?，修正誤差，提高采樣數(shù)據(jù)的精度。
　　另外還可進行信號相容性檢查，包括開關(guān)信號之間的狀態(tài)是否矛盾，模擬信號值的變化范圍是否正常，開關(guān)量信號與模擬量信號之間是否一致，以及各信號的時序關(guān)系是否正確等。定時校正參考點電位，并采用動態(tài)零點，可有效防止電位漂移。采用信息冗余技術(shù)，設(shè)計相應(yīng)的軟件標(biāo)志位，并通過設(shè)置軟件陷阱等方法來提高軟件結(jié)構(gòu)的可靠性。