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1、工业控制系统中应用的PLC抗干扰技术dujing导语：文章主要介绍了PLC控制系统在工业应用中可能受到的干扰类型，提出了针对性的抗干扰措施，并强调了在系统设计和安装时，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摘要：文章主要介绍了PLC控制系统在工业应用中可能受到的干扰类型，提出了针对性的抗干扰措施，并强调了在系统设计和安装时，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。关键字：PLC；干扰类型；抗干扰align=centerTheAnti-jammingtechnologyofPLCinTheAppyofTheIndustrialControlSystem
2、ZhaoLinZhaiNuoShenMinAutomationdepartmentofLaiWuironandsteelLtd.ShanDong271104/alignAbstract：ThispapermainlytellsusthetypewhichthePLCControlSystemisliabletodisturbingintheapplyofindustry,andputsforwardthemethodoftheaimtoanti-jamming,andemphasizesthatitmustbetheall-roundanalyseoftheenvironment,confor
3、mthecharacterofdisturbing,andadopttherelevantanti-jammingmethodinthesystemdesigningandinstalling.Keywords：PLC;Thetypeofdisturbing;anti-jamming工业的高速开展对控制系统的依靠性越来越强。分散型控制系统DCS、可编程控制器PLC、现场总线控制系统FCS、工业控制机IPC以及各种测量控制仪表已是构成工业自动化的主要硬件设施。随着微电子技术的开展和控制系统集成化程度的进步，大规模集成芯片内单位面积的元件数越来越多，所传递的信号电流也越来越小，系统的供电电压也越来
4、越低，现已降到5V、3V乃至1.8V。因此，芯片对外界的噪声也越趋敏感，所以显示出来的抗干扰才能也就很低。再那么，相对于其它的电子信息系统，控制系统不但系统复杂，设备多，输入/输出I/O端口多，十分是外部的连接电缆又多又长，这类似于拾取噪声的高效天线，给噪声的耦合提供了充分的条件，使得各种噪声轻易侵入控制系统。PLC具有编程简单、通用性好、功能强、易于扩展等优点，十分是采用了高集成度的微电子器件，具有很高的可靠性，能较强的适应恶劣的工业环境，已被广泛应用于工业控制领域中。如今工业消费线控制系统中所使用的PLC，主要是集中安装在主控室，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，很轻易
5、被四周干扰源干扰而引起控制系统产生误动作，影响系统的正常工作,因此必须重视系统的抗干扰设计。为防止干扰,可以采用硬件和软件相结合的抗干扰方法。2PLC系统的根本组成构造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、根本I/O模块、I/O扩展接口、外设接口和电源等局部组成，各局部之间由内部系统总线连接。align=center图1PLC系统的根本组成构造/align3影响PLC控制系统稳定的干扰类型3.1空间辐射干扰空间的辐射电磁场EMI主要由电力网络、电气设备、雷电、高频感应加热设备、大型整流设备等产生，通常称为辐射干扰。电气设备、电子设备
6、的高密度使用，使空间电磁波污染越来越严重，这些干扰源产生的辐射波频率范围广，且无规律。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路，造成对系统的干扰。假设此时PLC置于其辐射场内，其信号、数据线和电源线即可充当天线承受辐射干扰。此种干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场的大小，十分是与频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC部分屏蔽及高压泄放元件进展保护。3.2电源的干扰PLC系统一般由工业用电网络供电。工业系统中的某些大设备的启动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，这些电压噪声均会通过电源内阻耦合到PLC系统的电路，给系统造成极大的危害。3.3来自
7、信号传输线上的干扰除了传输有效的信息外，PLC系统连接的各类信号传输线总会有外部干扰信号的侵入。由信号线引入的干扰会引起IO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。假设系统隔离性能较差，还将导致信号间相互干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动作甚至死机。3.4数字电路引起的干扰数字集成电路引出的直流电流固然只有mA级，但是当电路处在高速开关时，就会形成较大的干扰。例如，TTL门电路在导通状态下从直流电源引出5mA左右的电流，截至状态下那么为lmA，在5ns的时间内其电流变化为4mA，假如在配电线上具有0.5H的电感，当这个门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为：
8、U=Lxdi/dt=0.5x10-6x4x10-3/5x10-9=0.4V假如把这个数值乘上典型系统的大量门的数值，固然这种门电路的供电电压仅为5V，但所引起的干扰噪声将是非常严重的。在处理脉冲数字电路时，对脉冲中包含的频谱应有一个粗略概念，假如脉冲上升时间t已知，可用近似公式求出其等效最高频率：fmax=1/2t1.4PLC系统内部产生的干扰。4PLC系统中的抗干扰设计4.1接地抗干扰设计接地在消除干扰上起很大的作用，良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件之一，可以防止偶尔发生的电压冲击危害。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地线与动力设备如电动机的接地点应
9、分开，假设达不到此要求，那么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5，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，其间的间隔要小于50米，接地线应避开强电回路，假设无法避开时，应垂直相交，缩短平行走线的长度。4.2电源局部的抗干扰设计电源波动造成的电压畸变或者毛刺，将对PLC及IO模块产生不良影响。据统计分析，PLC系统的干扰中有70是从电源耦合进来的。为了抑制干扰，PLC供电系统可采用如下方式，控制器和I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电路电源分开。当某一局部电源出了故障时，而不会影响其他局部，如输入、输出供电中断时，控制器仍能继续供电，进
10、步了系统的可靠性。4.3输入输出信号的抗干扰设计为了防止输入、输出信号受到干扰，应选用绝缘型I/O模块。4.3.1输入信号的抗干扰设计输入信号的输入线之间的差模干扰可以利用输入模块滤波来减小干扰，而输入线与大地间的共模干扰可通过控制器的接地来抑制。在输入端有感性负载时，为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响，可采用硬件的可靠性容错和容差设计技术，对于沟通输入信号，可在负载两端并联电容C和电阻R，对于直流输入信号，可并接续流二极管D。一般负载容量在10VA以下时，应选C为0.1F，R为120，当负载容量在10VA以上时，应选C为0.47F，R为47。详细电路如图2所示：align=center
11、图2输入信号的抗干扰设计/align4.3.2输出电路的抗干扰设计对于PLC系统为开关量输出，可有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式。详细选择要根据负载要求来决定。假设负载超过了PLC的输出才能，应外接继电器或者接触器，才可正常工作。PLC输出端子假设接有感性负载，输出信号由OFF变为ON或者从ON变为OFF时都会有某些电量的突变而可能产生干扰。在设计时应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点，如图3所示。对于直流负载，通常是在线圈两端并联续流二极管D，二极管应尽可能靠近负载，二极管可为1A的管子。对于沟通负载，应在线圈两端并联RC吸收电路，根据负载容量，电容可取0.1F0.47F
12、，电阻可取47120，且RC尽可能靠近负载。4.4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，进展信号传送时会产生窜扰。为了防止或者减少外部配线的干扰，沟通输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或者晶体管设备的输入、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30米以下的短间隔，直流和沟通输入、输出信号线最好不要使用同一电缆，假如要走同一配线管时，输入信号要使用屏蔽电缆。30米300米间隔的配线时，直流和沟通输入、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300米以上长间隔配线时，那么可用中间
13、继电器转换信号，或者使用远程I/O通道。对于控制器的接地线要与电源线或者动力线分开，输入、输出信号线要与高电压、大电流的动力线分开配线。4.5软件抗干扰设计尽管硬件抗干扰可滤除大局部干扰信号，但因干扰信号产生的原因很复杂。且具有很大的随机性，很难保证系统完全不受干扰。因此往往在硬件抗干扰措施的根底上采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰方法没计简单、修改灵敏、消耗资源少，在PLC测控系统中同样获得了广泛的应用。对于PLC测控装置，其数据输入、输出、存储等系统属于弱电系统，假如工作环境中存在干扰，就有可能使数据受干扰而破坏，进而造成数据误差、控制状态失灵、程序状态和某些器
14、件的工作状态被改变，严重时会使系统程序破坏。一般采用指令重复执行和数字滤波两种方法。align=center图3PLC输出触点的保护/align4.5.1指令重复执行指令重复执行就是根据需要使作用一样的指令重复执行屡次，一般适用于开关量或者数字量输入，输出的抗干扰。在收集某些开关量或者数字量时，可重复收集屡次，直到连续两次或者两次以上的收集结果完全一样时才视为有效。假设屡次收集后，信号总是变化不定，可停顿收集，发出报警信号。在知足实时性要求的前提，假如在各次收集数取信号之间插入一段延时，数据的可靠性会更高。假如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。4.5.2数字滤波在某些
15、信号的收集经过中，由于存在随机干扰而可能使被测信号的随机误差加大。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的特点，广泛应用于工业计算机测控系统中。此外，数字滤波的常用方法还有：程序判定滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法等。5完毕语随着PLC应用范围的逐渐扩大，加之系统恶劣的工作环境，它所要克制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。参考文献：1诸邦田，电子电路实用抗干扰技术M，北京，人民邮电出版社，1994。2仪表配管配线设计规定HG/T205122000S。3区健昌主编，电子设备的电磁兼容性设计M，北京，电子工业出版社，2003。4金建祥、邹海明、徐义亨，关于模拟量输入模板CMRR和SMRR指标值的讨论J，自动化仪表，2004，3，14-18。5林国荣，电磁干扰及控制M，北京，电子工业出版社，2003。作者简介：赵琳1981，男，学士学位，工程师，主要研究方向为集散控制及鲁棒控制。联络人：赵琳：山东莱芜钢铁集团自动化部银山轧区车间：271104手机：13863447631E-mail:zznuo1630