PLC抗干扰技术在工业控制系统中的应用

PLC抗干扰技术在工业控制系统中的应用

张平

伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆伊宁市 835000

摘要：文章主要介绍了PLC控制系统在工业应用中可能受到的干扰类型,提出了针对性的抗干扰措施,并强调了在系统设计和安装时,必须对环境作全面的分析,确定干扰的性质,采取相应的抗干扰措施。

关键字:PLC;干扰类型;抗干扰

1引言

工业的高速发展对控制系统的依赖性越来越强。分散型控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）、现场总线控制系统（FCS）、工业控制机（IPC）以及各种测量控制仪表已是构成工业自动化的主要硬件设施。随着微电子技术的发展和控制系统集成化程度的提高,大规模集成芯片内单位面积的元件数越来越多,所传递的信号电流也越来越小,系统的供电电压也越来越低,现已降到5V、3V乃至1.8V。因此,芯片对外界的噪声也越趋敏感,所以显示出来的抗干扰能力也就很低。再则,相对于其它的电子信息系统,控制系统不但系统复杂,设备多,输入/输出（I/O）端口多,特别是外部的连接电缆又多又长,这类似于拾取噪声的高效天线,给噪声的耦合提供了充分的条件,使得各种噪声容易侵入控制系统。PLC具有编程简单、通用性好、功能强、易于扩展等优点,特别是采用了高集成度的微电子器件,具有很高的可靠性,能较强的适应恶劣的工业环境,已被广泛应用于工业控制领域中。

2 PLC系统的基本组成结构

可编程控制器硬件系统由PLC、功能I/O单元和外部设备组成,其中PLC由CPU、存储器、基本I/O模块、I/O扩展接口、外设接口和电源等部分组成,各部分之间由内部系统总线连接。

3 影响PLC控制系统稳定的干扰类型

3.1空间辐射干扰

空间的辐射电磁场（EMI）主要由电力网络、电气设备、雷电、高频感应加热设备、大型整流设备等产生,通常称为辐射干扰。电气设备、电子设备的高密度使用,使空间电磁波污染越来越严重,这些干扰源产生的辐射波频率范围广,且无规律。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路,造成对系统的干扰。若此时PLC置于其辐射场内,其信号、数据线和电源线即可充当天线接受辐射干扰。此种干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场的大小,特别是与频率有关,一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

3.2电源的干扰

PLC系统一般由工业用电网络供电。工业系统中的某些大设备的启动、停机等,可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰,这些电压噪声均会通过电源内阻耦合到PLC系统的电路,给系统造成极大的危害。

3.3来自信号传输线上的干扰

除了传输有效的信息外,PLC系统连接的各类信号传输线总会有外部干扰信号的侵入。由信号线引入的干扰会引起I／O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。若系统隔离性能较差,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动作甚至死机。

4 PLC系统中的抗干扰设计

4.1接地抗干扰设计

接地在消除干扰上起很大的作用,良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件之一,可以避免偶然发生的电压冲击危害。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,接地线与动力设备的接地点应分开,若达不到此要求,则可与其它设备公共接地,严禁与其它设备串联接地。接地电阻要小于5Ω,接地线要粗,面积要大于2平方毫米,而且接地点最好靠近PLC装置,其间的距离要小于50米,接地线应避开强电回路,若无法避开时,应垂直相交,缩短平行走线的长度。

4.2 电源部分的抗干扰设计

电源波动造成的电压畸变或毛刺,将对PLC及I／O模块产生不良影响。据统计分析,PLC系统的干扰中有70％是从电源耦合进来的。为了抑制干扰,PLC供电系统可采用如下方式,控制器和I/O系统分别由各自的隔离变压器供电,并与主电路电源分开。当某一部分电源出了故障时,而不会影响其他部分,如输入、输出供电中断时,控制器仍能继续供电,提高了系统的可靠性。

4.3 输入输出信号的抗干扰设计

4.3.1 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,对于交流输入信号,可在负载两端并联电容C和电阻R,对于直流输入信号,可并接续流二极管D。

4.3.2 输出电路的抗干扰设计

对于PLC系统为开关量输出,可有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式。具体选择要根据负载要求来决定。若负载超过了PLC的输出能力,应外接继电器或接触器,才可正常工作。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,以保护PLC的输出触点,

4.4软件抗干扰设计

尽管硬件抗干扰可滤除大部分干扰信号,但因干扰信号产生的原因很复杂。且具有很大的随机性,很难保证系统完全不受干扰。因此往往在硬件抗干扰措施的基础上．采取软件抗干扰技术加以补充,作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰方法没计简单、修改灵活、耗费资源少,在PLC测控系统中同样获得了广泛的应用。对于PLC测控装置,其数据输入、输出、存储等系统属于弱电系统,如果工作环境中存在干扰,就有可能使数据受干扰而破坏,从而造成数据误差、控制状态失灵、程序状态和某些器件的工作状态被改变,严重时会使系统程序破坏。一般采用指令重复执行和数字滤波两种方法。

4.4.1指令重复执行

指令重复执行就是根据需要使作用相同的指令重复执行多次,一般适用于开关量或数字量输入,输出的抗干扰。在采集某些开关量或数字量时,可重复采集多次,直到连续两次或两次以上的采集结果完全相同时才视为有效。若多次采集后,信号总是变化不定,可停止采集,发出报警信号。在满足实时性要求的前提下如果在各次采集数守信号之间插入一段延时,数据的可靠性会更高。如果在系统实时性要求不是很高的情况下,其指令重复周期尽可能长些。

4.4.2数字滤波

在某些信号的采集过程中,由于存在随机干扰而可能使被测信号的随机误差加大。针对这种情况,可以采用数字滤波技术。该方法具有可靠性高和稳定性好的特点,广泛应用于工业计算机测控系统中。此外,数字滤波的常用方法还有:程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法等。

5结束语

工业现场环境恶劣, PLC在工业应用中的抗干扰设计是一个复杂的系统工程, 应综合考虑各方面的因素, 合理有效地抑制干扰, 使PLC控制系统可靠工作。

参考文献:

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