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1 前言 工業(yè)的高速發(fā)展對(duì)控制系統(tǒng)的依賴性越來越強(qiáng)。分散型控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLC）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、工業(yè)控制機(jī)（IPC）以及各種測量控制儀表已是構(gòu)成工業(yè)自動(dòng)化的主要硬件設(shè)施。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和控制系統(tǒng)集成化程度的提高，大規(guī)模集成芯片內(nèi)單位面積的元件數(shù)越來越多，所傳遞的信號(hào)電流也越來越小，系統(tǒng)的供電電壓也越來越低，現(xiàn)已降到5V、3V乃至1.8V。因此，芯片對(duì)外界的噪聲也越趨敏感，所以顯示出來的抗干擾能力也就很低。再則，相對(duì)于其它的電子信息系統(tǒng)，控制系統(tǒng)不但系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多，輸入/輸出（I/O）端口多，特別是外部的連接電纜又多又長，這類似于拾取噪聲的高效天線，給噪聲的耦合提供了充分的條件，使得各種噪聲容易侵入控制系統(tǒng)。 PLC具有編程簡單、通用性好、功能強(qiáng)、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，特別是采用了高集成度的微電子器件，具有很高的可靠性，能較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中?，F(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中所使用的PLC，主要是集中安裝在主控室，它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，很容易被周圍干擾源干擾而引起控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作，影響系統(tǒng)的正常工作,因此必須重視系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。為防止干擾,可以采用硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾方法。 2 PLC系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu) 可編程控制器硬件系統(tǒng)由PLC、功能I/O單元和外部設(shè)備組成,如圖1所示。其中PLC由CPU、存儲(chǔ)器、基本I/O模塊、I/O擴(kuò)展接口、外設(shè)接口和電源等部分組成，各部分之間由內(nèi)部系統(tǒng)總線連接。  圖1 PLC系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu) 3 影響PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定的干擾類型 3.1 空間輻射干擾 空間的輻射電磁場（EMI）主要由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備、雷電、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、大型整流設(shè)備等產(chǎn)生，通常稱為輻射干擾。電氣設(shè)備、電子設(shè)備的高密度使用，使空間電磁波污染越來越嚴(yán)重，這些干擾源產(chǎn)生的輻射波頻率范圍廣，且無規(guī)律?？臻g輻射干擾以電磁感應(yīng)的方式通過檢測系統(tǒng)的殼體、導(dǎo)線等形成接收電路，造成對(duì)系統(tǒng)的干擾。若此時(shí)PLC置于其輻射場內(nèi)，其信號(hào)、數(shù)據(jù)線和電源線即可充當(dāng)天線接受輻射干擾。此種干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場的大小，特別是與頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC 局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù)。 3.2 電源的干擾 PLC系統(tǒng)一般由工業(yè)用電網(wǎng)絡(luò)供電。工業(yè)系統(tǒng)中的某些大設(shè)備的啟動(dòng)、停機(jī)等，可能引起電源過壓、欠壓、浪涌、下陷及產(chǎn)生尖峰干擾，這些電壓噪聲均會(huì)通過電源內(nèi)阻耦合到PLC系統(tǒng)的電路，給系統(tǒng)造成極大的危害。 3.3 來自信號(hào)傳輸線上的干擾 除了傳輸有效的信息外，PLC系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線總會(huì)有外部干擾信號(hào)的侵入。由信號(hào)線引入的干擾會(huì)引起I／O信號(hào)工作異常和測量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。若系統(tǒng)隔離性能較差，還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)作甚至死機(jī)。 3.4 數(shù)字電路引起的干擾 數(shù)字集成電路引出的直流電流雖然只有mA級(jí)，但是當(dāng)電路處在高速開關(guān)時(shí)，就會(huì)形成較大的干擾。例如，TTL門電路在導(dǎo)通狀態(tài)下從直流電源引出5mA左右的電流，截至狀態(tài)下則為lmA，在5ns的時(shí)間內(nèi)其電流變化為4mA，如果在配電線上具有0.5μH的電感，當(dāng)這個(gè)門電路改變狀態(tài)時(shí)，配電線上產(chǎn)生的噪聲電壓為： U=L x di/dt=0.5x 10-6 x 4x10-3 /5x10-9=0.4V 如果把這個(gè)數(shù)值乘上典型系統(tǒng)的大量門的數(shù)值，雖然這種門電路的供電電壓僅為5V，但所引起的干擾噪聲將是非常嚴(yán)重的。 在處理脈沖數(shù)字電路時(shí)，對(duì)脈沖中包含的頻譜應(yīng)有一個(gè)粗略概念，如果脈沖上升時(shí)間t已知，可用近似公式求出其等效最高頻率：fmax=1/2πt1.4 PLC系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的干擾。 4 PLC系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計(jì) 4.1接地抗干擾設(shè)計(jì) 接地在消除干擾上起很大的作用，良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件之一，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應(yīng)給PLC接以專用地線，接地線與動(dòng)力設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)）的接地點(diǎn)應(yīng)分開，若達(dá)不到此要求，則可與其它設(shè)備公共接地，嚴(yán)禁與其它設(shè)備串聯(lián)接地。接地電阻要小于5Ω，接地線要粗，面積要大于2平方毫米，而且接地點(diǎn)最好靠近PLC裝置，其間的距離要小于50米，接地線應(yīng)避開強(qiáng)電回路，若無法避開時(shí)，應(yīng)垂直相交，縮短平行走線的長度。 4.2 電源部分的抗干擾設(shè)計(jì) 電源波動(dòng)造成的電壓畸變或毛刺，將對(duì)PLC及I／O模塊產(chǎn)生不良影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，PLC系統(tǒng)的干擾中有70％是從電源耦合進(jìn)來的。為了抑制干擾， PLC供電系統(tǒng)可采用如下方式，控制器和I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離變壓器供電，并與主電路電源分開。當(dāng)某一部分電源出了故障時(shí)，而不會(huì)影響其他部分，如輸入、輸出供電中斷時(shí)，控制器仍能繼續(xù)供電，提高了系統(tǒng)的可靠性。 4.3 輸入輸出信號(hào)的抗干擾設(shè)計(jì) 為了防止輸入、輸出信號(hào)受到干擾，應(yīng)選用絕緣型I/O模塊。 4.3.1 輸入信號(hào)的抗干擾設(shè)計(jì) 輸入信號(hào)的輸入線之間的差模干擾可以利用輸入模塊濾波來減小干擾，而輸入線與大地間的共模干擾可通過控制器的接地來抑制。在輸入端有感性負(fù)載時(shí)，為了防止電路信號(hào)突變而產(chǎn)生感應(yīng)電勢的影響，可采用硬件的可靠性容錯(cuò)和容差設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)于交流輸入信號(hào)，可在負(fù)載兩端并聯(lián)電容C和電阻R，對(duì)于直流輸入信號(hào)，可并接續(xù)流二極管D。一般負(fù)載容量在10VA以下時(shí)，應(yīng)選C為0.1μF，R為120 ，當(dāng)負(fù)載容量在10VA以上時(shí)，應(yīng)選C為0.47μF，R為47 。具體電路如圖2所示：
 圖2 輸入信號(hào)的抗干擾設(shè)計(jì) 4.3.2 輸出電路的抗干擾設(shè)計(jì) 對(duì)于PLC系統(tǒng)為開關(guān)量輸出，可有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出三種形式。具體選擇要根據(jù)負(fù)載要求來決定。若負(fù)載超過了PLC的輸出能力，應(yīng)外接繼電器或接觸器，才可正常工作。 PLC輸出端子若接有感性負(fù)載，輸出信號(hào)由OFF變?yōu)镺N或從ON變?yōu)镺FF時(shí)都會(huì)有某些電量的突變而可能產(chǎn)生干擾。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以保護(hù)PLC的輸出觸點(diǎn)，如圖3所示。對(duì)于直流負(fù)載，通常是在線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管D，二極管應(yīng)盡可能靠近負(fù)載，二極管可為1A的管子。對(duì)于交流負(fù)載，應(yīng)在線圈兩端并聯(lián)RC吸收電路，根據(jù)負(fù)載容量，電容可取0.1μF～0.47μF，電阻可取47Ω～120Ω，且RC盡可能靠近負(fù)載。 4.4 外部配線的抗干擾設(shè)計(jì) 外部配線之間存在著互感和分布電容，進(jìn)行信號(hào)傳送時(shí)會(huì)產(chǎn)生竄擾。為了防止或減少外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號(hào)與直流輸入、輸出信號(hào)應(yīng)分別使用各自的電纜。集成電路或晶體管設(shè)備的輸入、輸出信號(hào)線，要使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側(cè)要懸空，而在控制器側(cè)要接地。配線時(shí)在30米以下的短距離，直流和交流輸入、輸出信號(hào)線最好不要使用同一電纜，如果要走同一配線管時(shí)，輸入信號(hào)要使用屏蔽電纜。30米～300米距離的配線時(shí)，直流和交流輸入、輸出信號(hào)線要分別使用各自的電纜，并且輸入信號(hào)線一定要用屏蔽線。對(duì)于300米以上長距離配線時(shí)，則可用中間繼電器轉(zhuǎn)換信號(hào)，或使用遠(yuǎn)程I/O通道。對(duì)于控制器的接地線要與電源線或動(dòng)力線分開，輸入、輸出信號(hào)線要與高電壓、大電流的動(dòng)力線分開配線。 4.5 軟件抗干擾設(shè)計(jì) 盡管硬件抗干擾可濾除大部分干擾信號(hào)，但因干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因很復(fù)雜。且具有很大的隨機(jī)性，很難保證系統(tǒng)完全不受干擾。因此往往在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上．采取軟件抗干擾技術(shù)加以補(bǔ)充，作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾方法沒計(jì)簡單、修改靈活、耗費(fèi)資源少，在PLC測控系統(tǒng)中同樣獲得了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于PLC測控裝置，其數(shù)據(jù)輸入、輸出、存儲(chǔ)等系統(tǒng)屬于弱電系統(tǒng)，如果工作環(huán)境中存在干擾，就有可能使數(shù)據(jù)受干擾而破壞，從而造成數(shù)據(jù)誤差、控制狀態(tài)失靈、程序狀態(tài)和某些器件的工作狀態(tài)被改變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)程序破壞。一般采用指令重復(fù)執(zhí)行和數(shù)字濾波兩種方法。
 圖3 PLC輸出觸點(diǎn)的保護(hù) 4.5.1 指令重復(fù)執(zhí)行 指令重復(fù)執(zhí)行就是根據(jù)需要使作用相同的指令重復(fù)執(zhí)行多次，一般適用于開關(guān)量或數(shù)字量輸入，輸出的抗干擾。在采集某些開關(guān)量或數(shù)字量時(shí)，可重復(fù)采集多次，直到連續(xù)兩次或兩次以上的采集結(jié)果完全相同時(shí)才視為有效。若多次采集后，信號(hào)總是變化不定，可停止采集，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提 ，如果在各次采集數(shù)守信號(hào)之間插入一段延時(shí)，數(shù)據(jù)的可靠性會(huì)更高。如果在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不是很高的情況下，其指令重復(fù)周期盡可能長些。 4.5.2 數(shù)字濾波 5 結(jié)束語 隨著PLC應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大，加之系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境，它所要克服的干擾就會(huì)越來越多，盡管PLC本機(jī)的可靠度很高。但是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，仍必須對(duì)環(huán)境作全面的分析，確定干擾的性質(zhì)，采取相應(yīng)的抗干擾措施，以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作。 |
（轉(zhuǎn)載）
