在工业中应用PLC如何采用抗干扰措施.doc

在工业中应用PLC怎样采取抗干扰方法
徐 永 强
（唐山首信自动化信息技术有限企业 京唐运行事业部, 唐山 063000）

摘要: 本文分析了与PLC可靠运行相关各个干扰原因,提出了克服这些原因影响方案,探讨了提升控制系统可靠性硬软件方法。并强调了在系统设计和安装时, 必需对环境作全方面分析, 确定干扰性质,为预防干扰,除了从硬件电路上设计,还能够从软件编程上采取抗干扰方法。
关键词: PLC抗干扰 硬件方法 软件方法

Application PLC in the industry with anti-interference measures
Xu Yong Qiang
(Jingtang Maintenance Department, Tangshan ShouGang Automation & Information Technology Co.,Ltd.,Tangshan 063000)

Abstract: This article Analyzing the relevant and reliable operation of the PLC and the various factors , put forward the interference favtors affecting scheme to overcome these,discusses how to improve control system hardware and software reliability.Andthe system design and installlation of the environment must be determinrd interference,comprehensive analysis,in order to prevent the work,except from the hardware circuit design,also can be taken from a software anti-interference measures in programming.
Keywords: PLC anti-jamming hardware measures oftware measures

0 序言
PLC是以微处理器为基础,综累计算机技术、 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, 操作方便数字式电子装置。它使用能够编程记忆单元来存放指令, 实施数字和逻辑运算, 并经过数字量输入、 输出实现对工业生产过程控制。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方法,含有一定稳定性和可靠性,但因为PLC应用场所越来越广,应用环境越来越复杂,所受干扰也就越来越多。如来自电源波形畸变、 现场设备产生电磁干扰、 接地电阻耦合、 输入元件抖动等多种形式干扰, 都可能使系统不能正常工作。所以, 研究PLC控制系统抗干扰信号起源、 成因及其抑制方法, 对于提升PLC控制系统抗干扰能力及可靠性含相关键意义。
1 PLC应用中需要注意问题
1.1 工作环境
(1)温度。PLC要求环境温度在0～55℃, 安装时不能放在发烧量大元件下面, 四面通风散热空间应足够大。
(2)湿度。为了确保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,预防振动频率在10～55Hz之间频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时, 必需采取减震方法, 如采取减震胶等。
(4)空气。避免有腐蚀和易燃气体, 比如氯化氢、 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安装在封闭性很好控制室或控制柜中。
(5)电源。PLC对于电源线带来干扰含有一定抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰尤其严重环境中, 能够安装一台带屏蔽层隔离变压器, 以降低设备与地之间干扰。 通常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,应选择直流稳压电源。因为一般整流滤波电源, 因为纹波影响, 轻易使PLC接收到错误信息。
1.2 PLC控制系统干扰起源
1.2.1 来自变压器、 MCC柜、 电力电缆和动力设备干扰
实践证实, 电源引入干扰造成PLC控制系统故障情况很多。PLC电源通常采取隔离电源, 但因其机构及制造工艺等原因使其隔离性能并不是很理想, 因为分布参数尤其是分布电容存在, 绝对隔离是不可能。变压器、 MCC柜、 电力电缆和动力设备均为工频, 频率较低, 干扰通常发生在近场, 而近场中伴随干扰源特征不一样, 电场分量和磁场分量有着很大差异。尤其是大型动力设备开启时, 瞬间电流能够达成额定电流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。此干扰关键有两种路径: 一是经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, 这往往被忽略; 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。由信号引入干扰会引发I/O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引发元器件损伤。对于隔离性能差系统, 还将造成信号间相互干扰, 引发共地系统总线回流, 造成逻辑数据改变、 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控制系统地线包含系统地、 屏蔽地、 交直流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统干扰关键是各个接地点电位分布不均, 不一样接地点间存在地电位差, 引发环路电流, 影响系统正常工作。比如电缆屏蔽层必需一端接地, 假如电缆屏蔽层两端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。另外, 屏蔽层、 接地线和大地有可能组成闭合环路, 在改变磁场作用下, 屏蔽层内有会出现感应电流, 经过屏蔽层与芯线之间耦合, 干扰信号回路。若系统地与其她接地处理混乱, 所产生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轻易影响PLC逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱或死机。模拟地电位分布将造成测量精度下降, 引发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
关键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
一是变频器开启及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰, 引发电网电压畸变, 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, 影响周围设备正常工作。
2 系统设计时抗干扰方法
2.1 硬件方法
2.1.1 屏蔽
对电源变压器、 中央处理器、 编程器等关键部件, 采取导电、 导磁性良好材料进行屏蔽处理, 以预防外界干扰信号影响。
2.1.2 滤波
对供电系统输入线路采取多个形式滤波处理, 以消除和抑制高频干扰信号, 也减弱模块间相互影响。
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。对微处理器关键部件所需要 +5V电源采取多级滤波处理,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。尽可能使电源线平行走线, 这时电源线对地呈低阻抗, 以降低电源噪声干扰。其屏蔽层接地方法不一样, 对干扰抑制效果不一样, 通常次级线圈不能接地。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, 采取光电隔离方法, 有效地把她们隔离开来, 以防外部干扰信号及地线环路中产生噪声电信号经过公共地线进入PLC,从而影响正常工作。
2.1.5 采取模块式结构
这种结构有利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, 可快速更换, 使系统恢复正常工作, 同时也有利于加速查找系统故障原因。
2.2 软件方法
2.2.1 指令反复实施
指令反复实施就是依据需要使作用相同指令反复实施数次, 通常适适用于开关量或数字量输入, 输出抗干扰。在采集一些开关量或数字量时, 可反复采集数次, 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。 若数次采集后, 信号总是改变不定, 可停止采集, 发出报警信号。 在满足实时性要求前提, 假如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。假如在系统实时性要求不是很高情况下, 其指令反复周期尽可能长些。
2.2.2 数字滤波
在一些信号采集过程中, 因为存在干扰而可能使被测信号误差加大。针对这种情况, 能够采取数字滤波技术。该方法含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。另外, 数字滤波常见方法还有: 程序判定滤波法、 中值滤波法、 算术平均滤波法、 递推平均。
3 PLC系统安装时抗干扰方法
3.1 电源接线和地线接线
要合理部署电源线,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,它经过变压器中心点组成供电两条回路之一,这条回路上电流、 多种谐波电流等是个严重干扰元。所以交流地线、 直流地线、 模拟地和数字地等必需分开。 数字地和模拟地共点地最好置悬浮方法。地线各点之间电位差尽可能小, 尽可能加粗地线, 有条件可采取环形地线。系统地端子（LG）是抗干扰中性端子, 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。为预防电流冲击, 应使用截面积大于2 平方米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 输出端子接线
（1）当多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。输出端能够使用不一样电压, 这时其对应公共端应分别接入不一样电压源。
（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出PLC许可值,不然必需外接接触器或继电器。一样, 若负载电流低于要求最小值时, 应并联一个阻容吸收电路, 如图1所表示。电阻取50欧姆, 电容取1微法。

图1 并联阻容吸收电路
Fig.1 Parallel capacitor and absorbing circuit
（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。所以要在电感线圈上并联一个续流二极管, 如图2所表示。

图2 并联续流二极管电路
Fig.2 Parallel free-wheeling diode circuit
3.3 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, 造成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所表示。

图3 输入、 输出端并联旁路电阻电路
Fig.3 Input and output terminal parallel byypass resistance circuit
3.4 输入输出信号采取光隔离方法
利用光电耦合器开关特征实现输入和输出信号完全隔离, 是抑制干扰有效方法之一。光电耦合器把多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。因为光电耦合器含有很高输入/输出绝缘电阻和较高地输出阻抗,被测信号可经过光电耦合器取得通路,而共模干扰信号因为不成回路而得到有效抑制,所以,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,切断了干扰噪声通道,处理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 电缆敷设
当动力电缆超出10A/400V或20A/220V,若要求与输入输出电缆并行放置,那么在二者之间最少相隔300毫米。假如将它们放在一个槽内时, 它们之间必需间隔100毫米以上, 且一定要用接地金属屏蔽起来。尤其注意是PLC基础单元与扩展单元之间电缆是传送电压低高频信号,很易受到干扰,所以,不能将它与其她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, 并与其她电缆分开。把输入线绞合, 绞合双绞线能降低共膜干扰, 因为改变了导线电磁感应方向, 从而使其感应相互抵消。 如图4所表示。

图4 输入线绞合电路
Fig.4 Input line lay-up electric circuit
信号采集是模拟线路时导线可捆扎在一起。数据线和脉冲线不能靠近或捆扎在一起。不然数据线上全1时, 在脉冲线上造成干扰, 反之亦然。
使用屏蔽线作输入线, 只需一端接地。若两端接地, 因为接地电位差在屏蔽层内会流过电流而长生干扰。为了泄放高频干扰, 数字信号线屏蔽层应并联电位均衡线, 其电阻应小于屏蔽电阻十分之一, 并将屏蔽层两端接地, 若考虑抑制低频干扰也可一端接地。
4 变频器抗干扰方法
一是变频器开启及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰, 引发电网电压畸变, 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, 影响周围设备正常工作。
（1）加隔离变压器。关键是针对来自电源传导干扰。能够将绝大部分传导干扰阻隔在隔离变压器之前, 同时还兼有电源电压变换作用。
（2）使用滤波器。滤波器分有源和无源两种, 通常采取无源滤波即会有效果。这些滤波器含有较强抗干扰能力, 还能够预防将设备本身干扰传导给电源, 有些还兼有尖峰电压吸收功效。
（3）输出电抗器。在变频器到电动机之间增加交流电抗器关键是降低变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射, 影响其她设备正常工作。电抗器必需装在距离变频器最近地方。
5 结束语
PLC是专门为工业控制设计, 在设计和制造过程中厂家采取了多层次抗干扰方法, 使系统能在恶劣工业环境下与强电设备一起工作。运行稳定性和可靠性很高, PLC整机平均无故障工作时间高达几万小时。 伴随计算机技术发展$, PLC功效也越来越强, 使用越来越方便, 所以在工业控制系统中使用日益广泛。 不过, 整机可靠性高只是确保系统可靠工作前提, 还必需在设计和安装PLC系统过程中采取对应方法,才能确保系统可靠工作。本文仅探讨和应用了常见硬件抗
干扰和保护方法。在实际应用当中, 又充足考虑对PLC多种不利原因,在硬件设计中采取合适保护方法,就完全能够使控制系统安全可靠地运行。

参考文件
[1] 廖常初. 可编程序控制器应用技术 重庆大学出版社
[2] 王燕妮. PLC控制系统抗干扰设计 机械工业出版社
[3] 陈余平. 自动控制系统 机械工业出版社
[4] 段苏振. 提升PLC控制系统可靠性设计原因 电气传动
[5] 熊幸明. PLC控制系统可靠性设计研究 煤矿机电
作者介绍
徐永强 男, 1984.9 生于河南省驻马店市, 本科毕业, 从事高炉鼓风机维护工作, 电话: