电子论文发表简述PLC抗干扰技术

　　工业控制系统中所使用的各种类型PLC,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中,虽然PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置,具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行的稳定性和较高的可靠性,但是由于它直接和现场的I/O设备相连,外来干扰很容易通过电源线或I/O传输线侵入,从而引起控制系统的错误动作。

　　《集成技术》系由中国科学院主管，中国科学院深圳先进技术研究院为第一主办单位，科学出版社有限责任公司为第二主办单位及出版单位的学术期刊。于2011年10月经新闻出版总署批准创办。国内统一连续出版号CN44-1691/T，是一本大16开中文双月刊。

　　1 前言

　　PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。外部干扰与系统结构无关,是随机的,且干扰源是无法消除的,只能针对具体情况加以限制;内部干扰与系统结构有关,主要通过系统内交流主电路,模拟量输入信号等引起,可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。

　　2 PLC系统的基本组成结构

　　可编程控制器硬件系统由PLC、功能I/O单元和外部设备组成,如图1所示。其中PLC由CPU、存储器、基本I/O模块、I/O扩展接口、外设接口和电源等部分组成,各部分之间由内部系统总线连接。

　　3 抗干扰的技术对策分析

　　为防止干扰,可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中,硬件抗干扰是主要的抗干扰措施,一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源,切断干扰对系统的耦合通道,降低系统对干扰信号的敏感性。软件抗干扰技术作为硬件措施的辅助手段,减少随机性信号的干扰,其设计简单、修改灵活、耗费资源少,在PLC测控系统中同样获得了广泛的应用。

　　3.1硬件抗干扰对策

　　3.1.1电源系统引入的干扰对策

　　电网的干扰、频率的波动,将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。

　　(1)加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统

　　滤波器可抑制干扰信号从电源线传导到系统中。使用隔离变压器,屏蔽层要良好接地;次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰),隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层,初级的屏蔽层接交流电网的零线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。开头稳压电源可抑制电网大容量设备起停引起电网电压的波动,保持供电电压的稳压。

　　(2)分离供电系统

　　PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电,并与主电源分开,这样当输入输出供电断电时,不会影响到控制器的供电。

　　3.1.2接地抗干扰对策

　　接地是抑制噪声和防止干扰的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。给PLC接以专用地线可抑制附加在电源及输入、输出端的干扰。接地线与动力设备的接地点应分开,若达不到此要求,则可与其它设备公共接地,严禁与其它设备串联接地。接地电阻要小于5Ω,接地线要粗,面积要大于2平方毫米,而且接地点最好靠近PLC装置,其间的距离要小于50米,接地线应避开强电回路,若无法避开时,应垂直相交,缩短平行走线的长度。

　　3.1.3抑制输入输出电路引入的干扰对策

　　为了实现输入输出电路上的完全隔离,近年来在控制系统中广泛应用光电耦合。光电耦合器具有以下特点:首先,由于是密封在一个管壳内,不会受到外界光的干扰;其次,由于靠光传送信号,切断了各部件电路之间地线的联系;第三,发光二极管动态电阻非常小,而干扰源的内阻一般很大,能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四,光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比,一般很小,远不如晶体管对干扰信号那么灵敏,而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此,即使是在干扰电压幅值较高的情况下,由于没有足够的能量,仍不能使发光二极管发光,从而可以有效地抑制掉干扰信号。

　　(1)光电耦合输入电路如图2所示。其中(a)、(b)用的较多,(a)为高电平时接成形式,(b)为低电平输入时接成形式。(c)为差动型接法,适用于外部干扰严重的环境,当外部设备电流较大时,其传输距离可达100~200m。(d)考虑到COMS电路的输出驱动电流较小,不能直接带动发光二极管,加接一级晶体管作为功率放大。

　　(2)光电耦合输出电路如图3所示。(a)为同相输出,(b)为反相输出,当输出电路所驱动的元件较多时,可以加接一级晶体管作为驱动功率放大,如(c)所示。有时为了获得更好的输出波形,输出信号可经施密特电路整形。

　　以上两点是对开关量输入输出信号的处理方法,而对模拟输入输出信号,为了消除工业现场瞬时干扰对它的影响,除加A/D、D/A转换电路和光电耦合外,可根据需要采取软件的数字滤波技术如中值法、一阶递推数字滤波法等算法。

　　3.1.4外部配线的抗干扰设计

　　外部配线之间存在着互感和分布电容,进行信号传送时会产生窜扰。为了防止或减少外部配线的干扰,交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线,要使用屏蔽电缆,屏蔽电缆在输入、输出侧要悬空,而在控制器侧要接地。配线时在30m以下的短距离,直流和交流输入、输出信号线最好不要使用同一电缆,如果要走同一配线管时,输入信号要使用屏蔽电缆。30~300m距离的配线时,直流和交流输入、输出信号线要分别使用各自的电缆,并且输入信号线一定要用屏蔽线。对于300m以上长距离配线时,则可用中间继电器转换信号,或使用远程I/O通道。对于控制器的接地线要与电源线或动力线分开,输入、输出信号线要与高电压、大电流的动力线分开配线。

　　3.2软件抗干扰措施

　　为了提高输入信号的信噪比,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5次,若某一次采样支援远大于其他几次采样的幅值,那么就舍取之。对于流量、压力、液面、位移等参数,往往在一定范围内频繁波动,则采用算术平均法。

　　(1)信号保护和恢复:当偶尔性故障发生时,不破坏PLC内部的信息,一旦故障现象消失,就可以恢复正常,继续原来的工作。

　　(2)故障诊断:系统软件定期地检测外界环境,如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等,以便及时反映和处理。

　　(3)加强对程序的检查和校验:一旦程序有错,立即报警,并停止执行程序。

　　(4)设置警戒时钟WDT:如果程序循环扫描执行时间超过了WDT规定的时间,预示了程序进入死循环,立即报警。

　　4 结束语

　　随着PLC应用范围的逐渐扩大,加之系统恶劣的工作环境,它所要克服的干扰就会越来越多,尽管PLC本机的可靠度很高。但是在系统设计和安装时,仍必须对环境作全面的分析,确定干扰的性质,采取相应的抗干扰措施,以保证系统长期稳定的工作。