钢结构输电塔数控生产线的PLC抗干扰分析(投稿).docx

钢结构输电塔数控生产线的PLC抗干扰分析
广东省电力线路器材厂 余珂
摘要：本文针对钢结构输电塔数控生产线对PLC控制系统的干扰，详细分析了PLC控制系统的干扰来源，并从 硬件与软件两方面介绍了 PLC的抗干扰措施。在硬件方面主要采取了抑制电源干扰、减小信号线间的交叉干扰、 完善接地系统等措施，在软件抗干扰方面，提出r数字滤波等方法进行抗干扰，给出r -种中值滤波法的数 字滤波程序的设计方法。综合各种硬件和软件抗干扰措施，nl以有效地提高钢结松输电塔数控生产线的nJ•靠 性。
关键词：PLC控制系统：钢结构输电塔数控生产线：抗干扰；数字滤波中图分类号：TP273.2 文献标识码：A
1引言
可编程控制器(PLC)是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计 算机技术和通讯技术融为一体，利用编程的方法完成自动控制过程，具有控制功能强，可靠 性高，使用灵活方便，易于扩展等优点，在现代化工业控制中应用越来越广泛⑴。我厂近年来 陆续引进了4条角铁自动化生产线，以期应用先进的数控技术提高钢结构输电铁塔的加工生产 能力。但在角铁加工环境下使用可编程控制器进行作业时，由于工作环境的影响，如：大功 率用电设备的起动或停止引起电网电压的波动形成低频干扰；设备通过电磁耦合产生的工频 干扰；环境温度、角铁加工过程中巨大的噪声、强烈的机械震动等都影响了系统信号，致使 控制精度降低、丢失PLC内部数据、机器误动作、影响PLC的正常工作。因此，分析PLC系统的 干扰因素，采取相应的抗干扰措施是十分必要的。
2 PLC干扰源分析2.1干扰源及其一般分类⑵
对PLC系统而言，常采用共模干扰和差模干扰的分类方法。共模干扰主要由电网串入、 地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时 较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的 可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元 器件损坏，这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因。这种共模干扰可为直流，亦可 为交流。差模干扰主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成 的电压，这种干扰直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。此外，按噪声产生的原因， 分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质，分为持续噪声、偶发噪 声等。
2.2 PLC控制系统干扰的主要来源
(1) 电源的干扰。对电源来说，其干扰主要来源于•外界大容量感性负载造成的冲击电流、 电源的瞬间过载、欠压、浪涌干扰等，都通过输电线路传到电源原边。有资料统计，有三分 之一的干扰来源于电源⑶。虽然PLC电源通常采用的是隔离电源，但其结构及制造工艺因素使 其隔离性并不理想。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。 因此更换隔离性能好的PLC电源，才能解决问题。
(2) 信号线引入的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类 信息外，总会有外部干扰信号侵入。这种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，这一种干扰往往被忽视；二是信号线受空间电磁 辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这一类干扰是很严重的。由信号引入干扰会 引起I/O信号工作异常，大大降低测量精度，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、误动或死机。 PI.C控制系统因信号引入干扰造成I / （）模件损坏相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。
（3） 接地系统混乱的干扰。PLC控制系统正确的接地，是为了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。这样会引起各个接地 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。另外, 接地系统的混乱也会影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。由于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、 程序执行错误或死机。PLC的模拟地电位分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失 真和误动作。
（4） 空间的辐射干扰。空间的辐射电磁场（EMI）,主要由电力网络、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，通常称为辐射干扰，其分 布极为复杂。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，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备 所产生的电磁场大小特别是频率有关。
（5） PLC系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如： 逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不 匹配使用等。要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
3抗干扰设计和措施
PLC控制系统抗干扰措施主要可以从硬件和软件两方面入手考虑，硬件和软件抗干扰措施 对于抗干扰都是有效的，但相对而言，硬件抗干扰比较直观、通用，软件抗干扰针对性较强、 修改方便，两者结合使用效果会更好。
3.1. 硬件方面的抗干扰措施
针对上述分析的PLC控制系统产生干扰的原因，可采取不同的方法：
1） 抑制电源干扰
在电网中的干扰信号比较强烈的情况卜，首先可•考虑采用隔离变压器。为了提高抗干扰 效果，隔离变压器的屏蔽层必须良好接地且二次侧连接线要使用双绞线，因为双绞线能减少 电源线间的相互干扰。其次可考虑采用分离供电系统，即PLC控制器与其它设备的供电分离 开来，这样也有助于解决和PLC有直接电气连接的信号仪表电源引入干扰的问题。另外，电 源的引进端口直到电源的配线宜采用粗导线；电源后面的配线采用扭绞线，扭绞的螺距要小, 并把布线的距离缩短到最短。由于电源线和信号一般都通过地板下面走线，不宜把两种导线 靠得太近或相互平行，以减小电源与信号线间的相互影响。
2） 减小信号线间的交叉干扰
由于采用CMOS集成电路，信号线间的干扰对数字信号的影响不大，所产生的噪声并不影 响其正常工作。但对于模拟信号，这种干扰是不能忽略的，必须采取相应的措施加以解决， 一般是采用大面积接地的方法。同时，模拟信号线与数字信号线之间的距离要大于模拟信号 线与地间距离的2倍。具体方法是在引线的反面加屏蔽地，在有引线的一面，引线左右两侧 布置地线。
3） 正确选择接地点，完善接地系统
系统接地方式有浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言， 它属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WHz,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。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。
3.2. 软件方面的抗干扰措施
在PLC等控制系统中，除采用硬件措施提高系统的抗干扰能力外，还可充分发挥软件优 势，用数字滤波的方法削弱和滤除干扰和噪音，其在控制系统中的地位如图1所示，日前的 大型PLC编程大都支持SFC、结构化文本编程方式，这可以很方便地编制比较殳杂的程序，完 成相应的功能。
模拟输入信号
干扰信号

模拟输入信号
干扰信号
A模拟输出信号
硬件
软件
硬件
图1软件数据涯波法的原理图
所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，故实质 上它是-•种程序滤波。数字滤波器与RC等模拟滤波器相比，有如下优点⑷：
1） 数字滤波器是用程序实现的，不需要增加硬件设备，不存在阻抗匹配等问题，可靠性 高。
2） 可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太 低。
3） 数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便的 特点。
正因为数字滤波器具有上述优点，所以在PLC等计算机控制系统中得到了广泛的应用。
在控制系统中，输入信号有模拟信号和数字信号之分，数字信号的滤波多采用延时滤波 法。而模拟信号的数字滤波的方法较多，常见的有：限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤 波法、递推平均滤波法、中值平均滤波法、限幅平均滤波法、一阶滞后滤波法、加权递推平 均滤波法、消抖滤波法、限幅消抖滤波法等，它们各有优缺点，在实际的PLC控制系统中， 我们可以针对不同的被控对象和特定的应用场合，采用不同的滤波方法。在我厂钢结构输电 塔数控生产线中，为了抑制模拟信号如电压、电流值等现场瞬时干扰，可以采用下面的中值 滤波法进行滤波处理，即用n次采样值来代替当前值。其原理是每采样•次就与n-l次的历 史采样值相加，然后用n去除，商就作为当前值。其流程图如下。

图2中值滤滤流程图
这种方法虽然简单，但具有两个特点：①和每次采样n次求平均值一次的方法相比，反 应速度快；②当前值总与历史值有关，削弱了瞬时干扰的影响，达到了较好的滤波效果。
除了采用软件滤波的方法可以较好地抑制干扰外，其它的软件方法在一定的场合也可以 起到较好的干扰抑制作用，如延时确认和封锁干扰等。对于开关量输入，可采用软件延时20ms, 对同一信号作两次或两次以上读入，结果一致才确认输入有效。如果某些干扰是可以预知的, 在容易产生这些干扰的时间内，可用软件封锁可编程控制器的某些输入信号，在干扰易发期 过去后，再取消封锁。
4结语
通过对钢结构输电塔数控生产线PLC控制器的干扰源的详细分析可以知道，PLC控制系统 中的干扰是个十分复杂的问题，在设计和应用中应综合考虑各方面的因素，对具体的干扰源 采取相应干扰抑制措施合理有效地抑制抗干扰，才能使PLC控制系统正常工作，有效地提高 自动化生产线的可靠性。
参考文献：
[1] 金广业.编程控制器原理及应用[M].北京：电子工业出版社，1991.
[2] 周旭东，楚随英. PLC实验系统抗干扰技术[J].实验室科学,2007(1):162-164.
[3] 刘光斌、刘冬、姚志成.单片机系统实用抗干扰技术[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[4] 何立民.单片机应用系统设计[M],北京：航空航天大学出版社，2001:488-491.