在工业中应用PLC如何采用抗干扰措施

在工业中应用PLC如何采用抗干扰措施徐永强（唐山首信自动化信息技术有限公司京唐运行事业部，唐山063000）摘要：本文分析了与PLC可靠运行有关的各个干扰因素,提出了克服这些因素的影响方案,探讨了提高控制系统可靠性硬软件措施。并强调了在系统设计和安装时，必须对环境作全面分析，确定干扰性质,为防止干扰,除了从硬件电路上设计,还可以从软件编程上采取抗干扰措施。关键词：PLC抗干扰硬件措施软件措施ApplicationPLCintheindustrywithanti-interferencemeasuresXuYongQiang(JingtangMaintenanceDepartment,TangshanShouGangAutomation&InformationTechnologyCo.,Ltd.,Tangshan063000)Abstract：ThisarticleAnalyzingtherelevantandreliableoperationofthePLCandthevariousfactors,putforwardtheinterferencefavtorsaffectingschemetoovercomethese,discusseshowtoimprovecontrolsystemhardwareandsoftwarereliability.Andthesystemdesignandinstalllationoftheenvironmentmustbedeterminrdinterference,comprehensiveanalysis,inordertopreventthework,exceptfromthehardwarecircuitdesign,alsocanbetakenfromasoftwareanti-interferencemeasuresinprogramming.Keywords：PLCanti-jamminghardwaremeasuresoftwaremeasures0前言PLC是以微处理器为基础,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术，面向控制过程、面向用户，适应工业环境，操作方便的数字式电子装置。它使用可以编程的记忆单元来存储指令，执行数字和逻辑运算，并通过数字量的输入、输出实现对工业生产过程的控制。就PLC本身来说,在设计和制造过程中厂家已采取了多层次抗干扰措施,具有一定稳定性和可靠性,但由于PLC的应用场合越来越广,应用环境越来越复杂,所受的干扰也就越来越多。如来自电源波形的畸变、现场设备产生的电磁干扰、接地电阻的耦合、输入元件的抖动等各种形式的干扰，都可能使系统不能正常工作。因此，研究PLC控制系统抗干扰信号的来源、成因及其抑制措施，对于提高PLC控制系统的抗干扰能力及可靠性具有重要意义。1PLC应用中需要注意的问题1.1工作环境(1)温度。PLC要求环境温度在0～55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。(2)湿度。为了保证PLC绝缘性能,空气相对湿度应小于85%(无凝露)。(3)震动。应使PLC远离强烈震动源,防止振动频率在10～55Hz之间频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。(4)空气。避免有腐蚀和易燃气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。(5)电源。PLC对于电源线带来干扰具有一定抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端,当输入端使用外接直流电源时,应选用直流稳压电源。因为普通整流滤波电源，由于纹波影响，容易使PLC接收到错误信息。1.2PLC控制系统干扰来源1.2.1来自变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备干扰实践证明，电源引入干扰造成PLC控制系统故障情况很多。PLC电源通常采用隔离电源，但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性能并不是很理想，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。变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备均为工频，频率较低，干扰一般发生在近场，而近场中随着干扰源特性不同，电场分量和磁场分量有着很大差别。特别是大型动力设备启动时，瞬间电流能够达到额定电流6～11倍，会产生大电流冲击暂态干扰。1.2.2来自信号线引入干扰与PLC控制系统连接各类信号传输线,除了传输有效各类信息之外,总会有外部干扰。信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变压器供电电源或共用信号仪表供电电源串入电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应干扰，即信号线上外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起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。对于隔离性能差的系统，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、误动作和死机等现象。1.2.3来自接地系统混乱时干扰正确接地，既能抑制电磁干扰影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误接地，反而会引入严重干扰信号，使PLC系统无法正常工作。PLC控制系统地线包括系统地、屏蔽地、交直流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统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，引起环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一端接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态（如雷击）时，地线电流将更大。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间耦合，干扰信号回路。若系统地与其他接地处理混乱，所产生的环流可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC逻辑电路和模拟电路正常工作。PLC工作逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位分布干扰容易影响PLC逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱或死机。模拟地电位分布将导致测量精度下降，引起对信号测控严重失真和误动作。1.2.4来自PLC系统内部干扰主要由系统内部元器件及电路间相互电磁辐射产生,如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路影响,模拟地与逻辑地相互影响及元器件间相互不匹配使用等。1.2.5来自变频器干扰一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网供电质量；二是变频器输出会产生较强电磁辐射干扰，影响周边设备正常工作。2系统设计时抗干扰措施2.1硬件措施2.1.1屏蔽对电源变压器、中央处理器、编程器等主要部件，采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，以防止外界干扰信号影响。2.1.2滤波对供电系统输入线路采用多种形式滤波处理，以消除和抑制高频干扰信号，也削弱模块间相互影响。2.1.3电源调整与保护电源波动造成电压畸变或毛刺，将对PLC及I/O模块产生不良影响。对微处理器核心部件所需要+5V电源采用多级滤波处理,并用集成电压调整器进行调整,以适应交流电网波动和过电压、欠电压影响。尽量使电源线平行走线，这时电源线对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰。其屏蔽层接地方式不同，对干扰抑制效果不一样，一般次级线圈不能接地。输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地，以抑制共摸干扰。2.1.4隔离在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地把他们隔离开来，以防外部干扰信号及地线环路中产生噪声电信号通过公共地线进入PLC,从而影响正常工作。2.1.5采用模块式结构这种结构有助于在故障发生时进行短时期修复，一旦查出某一模块出现故障，可迅速更换，使系统恢复正常工作，同时也有助于加速查找系统故障原因。2.2软件措施2.2.1指令重复执行指令重复执行就是根据需要使作用相同指令重复执行多次，一般适用于开关量或数字量输入，输出抗干扰。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。在满足实时性要求前提，如果在各次采集数字信号之间插入一段延时，数据可靠性会更高。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。2.2.2数字滤波在某些信号采集过程中，由于存在随机干扰而可能使被测信号随机误差加大。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特点，广泛应用于工业计算机测控系统中。此外，数字滤波常用方法还有：程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均。3PLC系统安装时抗干扰措施3.1电源接线和地线接线要合理布置电源线,强电与弱电要严格分开。接地在消除干扰上起很大作用。交流地是PLC控制系统供电所必需的,它通过变压器中心点构成供电两条回路之一,这条回路上的电流、各种谐波电流等是个严重的干扰元。因此交流地线、直流地线、模拟地和数字地等必须分开。数字地和模拟地的共点地最好置悬浮方式。地线各点之间电位差尽可能小，尽量加粗地线，有条件可采用环形地线。系统地端子（LG）是抗干扰的中性端子，通常不需要接地，可是，当电磁干扰比较严重时，这个端子需与接大地端子（GR）连接。为防止电流冲击，应使用截面积大于2平方米的14#专用接地线将GR端与大地相接,接地电阻应小于100O欧姆，接地长度小于20米。3.2输出端子的接线（1）当几个外部设备连接带一个电源上时，应使用短接片将其输出端子对应公共端子短接。输出端可以使用不同电压，这时其对应公共端应分别接入不同电压源。（2）交流输出线与直流输出线不能使用同一根电缆。输出线应远离高压线和动力线，且不得并行。（3）输出回路中应有熔断器保护PLC输出元件。流入输出端子最大电流不应超过PLC允许值,否则必须外接接触器或继电器。同样，若负载电流低于规定最小值时，应并联一个阻容吸收电路，如图1所示。电阻取50欧姆，电容取1微法。图1并联阻容吸收电路Fig.1Parallelcapacitorandabsorbingcircuit（4）电感性负载断电时会产生很大自感电动势，当电路接通时，起触点处将产生电弧，严重时，发生触点烧结。因此要在电感线圈上并联一个续流二极管，如图2所示。图2并联续流二极管电路Fig.2Parallelfree-wheelingdiodecircuit3.3输入输出信号漏电流地处理当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时，当输出元件为双向，或是晶体管输出而外部负载又很小时会因为这类输出元件在关断时有较大地漏电流，使输入电路和外部负载电路不能关断，导致输入与输出信号地错误。为此，在这类输入、输出端要并联旁路电阻，以减小PLC输入电流和外部负载上电流,如图3所示。图3输入、输出端并联旁路电阻电路Fig.3Inputandoutputterminalparallelbyypassresistancecircuit3.4输入输出信号采用光隔离措施利用光电耦合器开关特性实现输入和输出信号完全隔离，是抑制干扰有效措施之一。光电耦合器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开。由于光电耦合器具有很高输入/输出绝缘电阻和较高地输出阻抗,被测信号可通过光电耦合器获得通路,而共模干扰信号由于不成回路而得到有效抑制,因此,在PLC控制系统现场I/O信号经光电耦合器隔离,与PLC系统本体分开,切断了干扰噪声的通道,解决了输入输出回路抗干扰问题,是系统调试方便,运行可靠。3.5电缆的敷设当动力电缆超过10A/400V或20A/220V,若要求与输入输出电缆并行放置,那么在两者之间至少相隔300毫米。如果将它们放在一个槽内时，它们之间必须间隔100毫米以上，且一定要用接地金属屏蔽起来。特别注意的是PLC的基本单元与扩展单元之间电缆是传送电压低的高频信号,很易受到干扰,因此,不能将它与其他电缆设在同一管道内。另外，使用电缆应是截面积小于1.5平方毫米屏蔽电缆。最好使用电缆管敷设电缆。使用排线槽时，长度不足以包含全部输入输出连线，并与其他电缆分开。把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共膜干扰，由于改变了导线电磁感应方向，从而使其感