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浅论PLC控制系统的抗干扰问题

浅论PLC控制系统的抗干扰问题

2007/10/26 9:41:00
1 概 述     PLC作为一种自动化程度高、配置灵活的工业生产过程控制装置,因为其本身的高可靠性、允许在较为恶劣的环境下工作而在自动控制领域中得到广泛应用。在PLC控制系统中,就PLC本身来说,其薄弱环节在I/O端口,虽然它有与现场相当可靠的隔离和端口之间的隔离以及端口输入、输出信号与总线信号之间的隔离,但由于PLC的应用场合越来越广,应用环境越来越复杂,所受到的干扰也越来越多。如来自电源波形的畸变、现场设备所产生的电磁干扰、接地电阻的耦合、输入元件触点的抖动等各种形式的干扰,都可能使系统不能正常工作。因此,研究PLC控制系统干扰信号的来源、成因及抑制措施,对于提高PLC控制系统的抗干扰能力和可靠性具有重要作用。 2 影响PLC控制系统稳定的干扰因素   影响PLC控制系统稳定的干扰因素很多,主要 的有下面几种:   (1)电源波形畸变干扰:由于PLC控制系统本身或者电网其它设备采用SCR、GTO、IGBT等电力半导体器件,在工作时产生的高次谐波、噪声、寄生振荡等,引起电网电源波形畸变,通过电源线路对PLC产生的干扰。   (2)电路耦合干扰:由于PLC接地点选择不当或接地不良,通过回路公共阻抗发生耦合而产生的电流干扰。   (3)输入元器件触点的抖动干扰:由于现场强烈振动使PLC输入元器件触点发生抖动(尤其是常闭触点)产生的误信号所形成的干扰   (4)电容性干扰:在干扰源与干扰对象(PLC)之间存在分布电容耦合所产生的干扰。   (5)电感性干扰:干扰源中的交变磁场通过干扰对象(PLC)中的电感性元件耦合所产生的干扰。   (6)波干扰:由空间电磁波(主要是雷达、电台、移动电话等)的电磁场、传导波的传导电流和传导电压所产生的干扰。过合理配置供电电源、正确选择接地点、接地方式和输入输出配线等措施,可有效提高系统的抗干扰能力。 3.1 供电电源   由于PLC本身抗干扰的能力很强,通常只要将PLC电源与系统动力设备分开配线,对于从电源来的干扰,具有足够强的抑制能力。但是,如果遇到特殊情况,电源干扰特别严重,可采用带屏蔽层的隔离变压器供电,甚至加接线路滤波器,以抑制从交直流电源侵入的常模和共模瞬变干扰,还可抑制PLC内部开关电源向外辐射噪声。在有较强干扰源的环境中使用PLC,或对PLC工作可靠性要求特别高时,应将屏蔽层和PLC浮动地端子接地。 3.2 接地   在PLC控制系统中,具有多种形式的“地”,主要有:   (1)信号地:是输入端信号元件———传感器的地。   (2)交流地:交流供电电源的N线,通常它是产生噪声的主要地方。   (3)屏蔽地:一般为防止静电、磁场感应而设置的外壳或金属丝网,通过专门的铜导线将其与地壳连接。   (4)保护地:一般将机器设备外壳或设备内独立器件的外壳接地,用以保护人身安全和防护设备漏电。   为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰,应对PLC系统进行良好的接地。一般情况下,接地方式与信号频率有关,当频率低于1 MHz时,可用一点接地;高于10 MHz时,采用多点接地;在1~10 MHz间采用哪种接地视实际情况而定。因此,PLC组成的控制系统常用一点接地,接地线截面积不能小于2 mm2,接地电阻不能大于100Ω,接地线最好是专用地线。若达不到这种要求,也可采用公共接地方式,禁止采用与其它设备串联接地的方式。   交流电源在传输时,在相当一段间隔的电源导线上,会有几mV、甚至几V的电压,而低电平信号传输要求延路电平为零。为防止交流电对低电平信号的干扰,在直流信号的导线上要加隔离屏蔽;不允许信号源与交流电共用一根地线;各个接地点通过接地铜牌连接到一起。   屏蔽地、保护地不能与电源地、信号地和其它地扭在一起,只能各自独立的接到接地铜牌上。为减少信号的电容耦合噪声,可采用多种屏蔽措施。对于电场屏蔽的分布电容问题,通过将屏蔽地接入大地可解决。对于纯防磁的部位,例如强磁铁、变压器、大电机的磁场耦合,可采用高导磁材料作外罩,将外罩接入大地来屏蔽。 3.3 输入、输出配线   (1)PLC电源线、I/O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线,且后者应采用屏蔽线,并且将屏蔽层接地。数字传输线也要用屏蔽线,并且要将屏蔽层接地。由于双绞线中电流方向相反,大小相等,可将感应电流引起的噪声互相抵消,故信号线多采用双绞线或屏蔽线。 (2)输入、输出信号的防错   当输入信号源为晶体管,或是光电开关输出类型时,在关断时仍有较大的漏电流。而PLC的输入继电器灵敏度较高,如漏电流干扰超过一定值,就形成了误信号。同样,当输出元件为VTH(双向晶闸管)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的漏电流,引起微小电流负载的误动,导致输入与输出信号的错误,给设备和人身造成不良后果。   解决办法是在这类输入、输出端并联旁路电阻,以减小PLC输入电流和外部负载上的电流,电路接线如图3—1所示。图中,旁路电阻按下式求出:
式中,Il———输入信号源或输出晶闸管最大漏电流; Um———输入信号电压或外部负载电压最大值; IN———输入点或外部负载的额定电流。   还有一种方法是在PLC输入端加RC滤波环节,利用RC的延迟作用来抑制窜入脉冲所引起的干扰。在晶闸管输出的负载两端并联RC浪涌电流抑制器,减小漏电流的干扰。
4 从软件设计方面提高系统抗干扰能力     PLC内部具有丰富的软元件,如定时器、计数器、辅助继电器等,利用它们设计一些程序,可以屏蔽输入元件的误信号,防止输出元件的误动作,提高  系统的抗干扰能力。 4.1 利用PLC内部定时器,屏蔽输入端可能出现的误信号   在PLC组成的自动控制系统中,每一次循环,各工步的动作时间通常是固定不变的,行程开关(或其它敏感元件,如光电开关)总是在该工步的同一时刻发出信号。根据这一特点,用两个内部定时器,限定PLC只在该开关正常发信号的时间内采样,就可屏蔽掉其它时间可能发出的误信号———干扰信号。  图4—1所示是以FX2N—48MR型PLC控制为例(文中举例均为此机型),某自动生产线上对输入X000采样的梯形图程序及时序图。根据计算和实测,正常情况下,输入X000总是在输出Y000启动后0.7 s左右发出信号。但在实际运行时,由于现场环境恶劣,有可能使X000发出误信号,引起控制系统的错误动作。现在,将定时器T0的延迟时间设为0.5 s,T1的延迟时间设为0.9 s,从图可知,只有在Y000=1后0.5~0.9 s的时间内采样的X000信号,才被认为是有效信号M0,其它时间内,即使X000误发信号,也会被屏蔽掉。
4.2 利用PLC内部计数器,消除输入元件触点“抖动”干扰   在PLC控制系统中,由于外界干扰的影响,有些输入元件在接通时,会发生触点时断时续的“抖动”现象而发出错误信号。在图4—2a中,当输入X001发生抖动时,输出Y001也会跟着抖动。消除 这种干扰的方法是利用计数器经适当编程来实现。图4—2b是用计数器组成的消“抖动”程序和波形图。当“抖动”干扰使X001断开的间隔Δt<x×0.1s(注:M8012为特殊辅助继电器,产生0.1 s的时钟脉冲)时,计数器输出为“0”,输出继电器Y001保持接通,干扰对PLC正常工作不构成影响;当X001断开时间Δt≥x×0.1 s,计数器C1计满x次时,C1为“1”,输出继电器Y001输出为“0”。计数器的计数次数x可在调试时根据干扰情况修改。
5 结束语     随着PLC的应用越来越广泛,它所要克服的干扰越来越多,越来越复杂。如何进一步提高PLC控制系统的抗干扰能力,多种方法和措施正在研究探索之中。通过正确设计硬件线路,选用高质量的元器件,充分利用PLC本身软元件,灵活巧妙地编程等措施,可以有效地提高系统的抗干扰能力。   参考文献: PLC技术及应用 主编 齐从谦 机械工业出版社 作者简介: 杨文涛 男 本科 1975年9月出生,工程师,多年从事电气控制、计算机控制自动化的程序设计、维护工作,现为公司生产技术科长。 作者单位:河南省商丘市鑫顺实业有限公司 电话 0370-2331079 13503706283 电子邮箱:wentaoywt@sina.com
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