PLC控制系统抗干扰的措施及方法

PLC控制系统抗干扰的措施及方法摘要：介绍PLC控制系统在不同的工业环境中受到来自系统本身(包含PLC硬件及软件)以及外界(包含空间辐射电磁场、电源、信号线、接地等)的干扰；并且通过分析产生干扰的原因，提出了解决主要抗干扰措施。关键词：PLC；控制系统；干扰类型随着科学技术的发展，PLC作为一种自动化程度高、配置灵活的工业生产过程控制装置，因为其本身的高可靠性、允许在较为恶劣的环境下工作而在自动控制领域中得到广泛应用。由于受到现场条件所限，工业控制系统的各类PLC大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，电磁干扰极其严重，对PLC控制系统可靠运行极其不利，因此，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求使用部门在工程设计、安装调试和运行维护过程中采取抗干扰措施，双方配合才能妥善解决问题，有效增强系统的抗干扰性能。因此，研究PLC控制系统干扰信号的来源、成因及抑制措施，对于提高PLC控制系统的抗干扰能力和可靠性具有重要作用。一、提高PLC硬件抗干扰能力在选择设备时，首先要选择有高效抗干扰能力的产品，其中包括了电磁兼容性。尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能较好的PLC系统；监控信号在接入PLC前，在信号线与地之间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。；另外要考察其在类似工作环境中的应用实绩。在选择国外进口产品要注意：我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网制式。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，在国外能正常工作的PLC产品在国内不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准(GB/T13926)合理选择。另外，在干扰多的场合，安装在控制对象侧的I/0模块要使用绝缘型的I/0模块；在干扰相对较小的场合，可使用非绝缘型的I/O模块。二、提高PLC软件抗干扰能力硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进人控制系统，但由于干扰存在随机性，尤其是在工业生产环境下，硬件抗干扰措施并不能根本消除干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。(1)利用“看门狗”方法对系统的运行状态进行监控PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用它们来设计一些程序，可以屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作。在设计应用程序时，可以利用“看门狗”方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件时，编程时可定义一个定时器作“看门狗”用，对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值，为运动部件所需要的最大可能时间。在发出该部件的动作指令时，同时启动“看门狗”定时器。若运动部件在规定时间内达到指定位置，发出一个动作完成信号，使定时器清零，说明监控对象工作正常；否则，说明监控对象工作不正常，发出报警或停止工作信号。(2)消抖在振动环境中．行程开关或按钮常常会因为抖动而发出误信号．一般的抖动时间都比较短，针对抖动时间短的特点，可用PLC内部计时器经过一定时间的延时，得到消除抖动后的可靠有效信号，从而达到抗干扰的目的。(3)用软件数字滤波的方法提高输入信号的信噪比为了提高输人信号的信噪比，常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统，采用程序限幅法，即连续采样五次，若某一次采样值远远大于其它几次采样的幅值，那么就舍去之。对于流量、压力、液面、位移等参数，往往会在一定范围内频繁波动，则采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般认为：流量n=12，压力n=4最合适。对于缓慢变化信号如温度参数，可连续三次采样，选取居中的采样值作为有效信号。对于具有积分器A/D转换来说，采样时间应取工频周期(20ms)的整数倍。由于软件抗干扰方法设计简单、修改灵活、耗费资源少，因此，还有更多的方法有待编程人员不断的开发更新。三、提高PLC接地抗干扰能力近年来，国内外的很多标准不主张信息设备采用独立的接地装置，推荐采用共用接地系统。共用接地系统通常利用建筑物的基础做接地极，其接地电阻一般在1欧姆以下，如有设备对接地电阻的要求更低，应取其最小值。PLC接地电里．一般不大于4欧姆，这种接地方式很容易满足接她电阻要求。接地的目的通常有两个，一是为了安全，二是为了抑制干扰，完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地有浮地、直接接地和电容接地三种方式，对PLC控制系统而言，它属于高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极，如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式，用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极，接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；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蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。至于电磁干扰方面：如果车间内有个大功率的变频器，可以在PLC电源的前端加装一个单相电源滤波器；另外，在变频器后端安装输出电抗器，并且采用变频专用电缆，可大大降低变频器对外界的干扰。四、提高PLC电源抗干扰能力在PLC控制系统中，电源占有极为重要的地位。由电源引人的干扰在工业现场较为常见。控制系统一般由电网电源供电，电网的波动、大功率用甫设备启停、交直流传动装置引起的谐波等，都通过输电线路传到控制系统电源一侧。电源干扰主要来自两个方面：一是通过PLC系统的供电电源直接串入，如CPU电源、I/O模块电源等；二是通过变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。抑制电源干扰一般可采取如下措施：(1)PLC电源通常采用隔离电源。但因其结构及制造工艺等因素使其隔离效果并不理想，故在PLC电源输人端使用隔离变压器，其初级绕组和次级绕组分别加屏蔽层，并将屏蔽层可靠接地，对抑制电网干扰信号有较好效果。同时，二次侧接线使用双绞线，能有效减少电源线间干扰。(2)使用滤波器。滤波器具有较强的抗干扰能力，同时可防止将设备本身所产生的干扰传导给电源，滤波器还兼有尖峰电压吸收功能。在干扰严重场合，常常同时使用隔离变压器和滤波器。需要注意的是，应先把滤波器接人电源，然后再使用隔离变压器。(3)对于变送器和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源，应选择分布电容小、隔离效果好的配电器，以减小对PLC系统的干扰。(4)在重要的PLC控制系统中，为保证电网馈电不中断，可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电，提高供电的安全可靠性，而且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。五、提高PLC空间的辐射抗干扰能力空间辐射电磁场(EMI)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系统置于其射频场内，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和频率有关，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。在工业环境中，其雷电干扰尤为突出，由雷击引起的浪涌使PLC或其他自动化设备损坏的情况比较常见，在实践中，可以采用等电位联结、屏蔽、保护隔离、合理布线和装设防雷装置等措施，进行全方位的防雷保护。其中最简便、经济的措施是在PLC前端装设浪涌保护装置。六、提高PLC系统外引线抗干扰能力主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰，这种干扰在我国工业生产中较为普遍，主要有以下三类：第一类是来自电源的干扰。实践表明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，PLC系统的正常供电电源均由电网供电，由于电网覆盖范围广，受到所在空间的电磁干扰而在线路上产生感应电压和电流，尤其是电网内部的波动、开关操作产生的浪涌、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，都会通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但因制造工艺及结构等因素使其隔离性能并不理想，实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。第二类是来自信号线引入的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号控制线，除了传输各类监控信号之外，还会有外部干扰信号侵入。此类干扰主要有两种途径：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产生的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这种干扰通常比常严重。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幅降低，严重时将引起元器件损坏。对于隔离性能差的系统，还将导致信号之间互相干扰，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。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模块损坏严重，并由此引起系统故障的情况也很多。第三类是来自接地系统混乱的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一，正确的接地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的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，接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是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。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层。当发生异常状况如雷击时，地线电流将更大。此外，屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内部逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号监控的严重失真和误动作。七、本文小结PLC控制系统的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取区别对待的方法，既要保证PLC控制系统安全高效运行，又要节省不必要的抗干扰投资。才能够使PLC控制系统正常工作，保证工业设备安全高效运行。参考文献：[1]苏淦万，提高PLC可靠性抗干扰措施[J]．能源与环境．2004，(4)．[2]赵跃华，可编程序控制器及其应用[M]．成都：电子科技大学出版社．1998．[3]熊幸明，PLC控制系统的可靠性设计[J]．自动化仪表2004．4．[4]西德·D斯托尔·姜孟文译．工业抗干扰的理论与实践［M］．国防工业出版社，1985，6．