浅析PLC控制系统抗干扰问题

1引言

PLC(可编程控制器)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,因其本身具有高可靠性、较强的工业环境适应性以及编程简单、操作方便,而在工业领域得到广泛应用。在PLC控制系统中,虽然其I/O端口输入、输出信号与总线信号之间均有隔离,但由于PLC的应用场合越来越广,受到的干扰也就越来越多。这些都可能造成PLC控制系统可靠性降低,不能正常工作。因此,分析影响PLC控制系统可靠性的因素,研究其解决措施,对于提高PLC控制系统可靠性具有重要的作用,对于PLC的进一步推广应用也具有普遍意义。

2、 PLC控制系统干扰的主要来源

2.1来自电源的干扰

因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多,更换隔离性能好的PLC电源,才能解决问题。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广,它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流。尤其是电网内部的变化,如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到电源原边。

2.2来自空间的辐射干扰

空间的辐射电磁场(EMI),主要由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生,通常称为辐射干扰,其分布极为复杂。其影响主要通过两条路径:一是直接对PLC内部的辐射,由电路感应产生干扰;二是对PLC通信网络的辐射,由通信线路的感应引入干扰。

2.3来自接地系统混乱的干扰

PLC控制系统正确的接地,是为了抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地,反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统无法正常工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。这样会引起各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在地电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地,如果电缆屏蔽层两端A,B都接地,就存在地电位差,有电流流过屏蔽层,当发生异常情况时,地线电流将更大。

屏蔽层、接地线和大地也有可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内会出现感应电流,通过屏蔽层和芯线之间的藕合干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱,所产生的地环流就可能在地线上产生电位分布,影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低,逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降,引起信号测控失真和误动作。

2.4 来自信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信息外,总会有外部干扰信号侵入。

此干扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常,大大降低测量精度,严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏相当严重,由此引起系统故障的情况也很多。

2.5 来自PLC系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生,如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响,模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。

3、 PLC控制系统设计时应考虑的抗干扰措施

3.1 硬件抗干扰措施

(1)电源干扰防御措施

PLC控制系统的电源,一般都是220V,而电网中大的感性负载、可控硅装置等设备的投切过程,很容易造成电压畸变或毛刺,畸变的电源通过交流电源传给PLC控制系统,形成强大的干扰。因此,在系统设计时通常要采用以下措施来抑制干扰:

1)使用隔离变压器抑制从电源进线窜入的高频干扰信号,对低频共模干扰信号也有一定的抑制作用。其初、次级之间的隔离屏蔽层,用锡箔或漆包线绕1～3层接地。一般次级线圈不能接地。输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地,以抑制共模干扰。

2)使用集成电压调整器进行调整,以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响,并对CPU核心部件所需要的+5V电源采用多级滤波处理。尽量使电源线平行走线,使电源线对地呈低阻抗,以减少电源噪声干扰。

3)在毫秒或微秒级的脉冲干扰信号中,高次谐波成分较高。因此,可以采用低通滤波器抑制高频干扰。

4)电网中,由于触点开关的启停,形成宽频带的瞬变干扰,其能量是随机的。当干扰能量大时,仅凭低通滤波器来抑制高次谐波的干扰往往达不到预期效果,用频谱均衡法抑制干扰,效果明显,但成本较高,不常用。

在实际控制系统的设计过程中,可根据现场干扰的特点和具体的PLC机型抗干扰能力等因素综合考虑选择抑制干扰的措施。其中隔离变压器是最常用的,因为PLC、I/O模块电源通常采用DC 24V,市电只需经隔离变压器降压再经整流桥整流滤波供给即可。

(2)负载干扰的抑制

在控制系统中一般情况下都有许多具有储能的负载。当控制触点切换时将产生高于电源电压数倍甚至数十倍的反电动势,克服此类干扰的主要措施有:

1)在直流感负载场合,可在负载的两端并接续流二极管(如图1),二极管要靠近负载,其反向耐压值应是负载电压的4倍。

2)在交流感应负载的场合,可以在负载的两端并接CR浪涌吸收器,CR越靠近负载越好(如图2)。

图1 直流感负载场合

图2 交流感应负载场合

(3)系统输入干扰的抑制措施

1)屏蔽

为限制内部的辐射电磁波越出某一区域和防止外来的辐射进入某一区域,对电源变压器、中央处理器、编程器等主要部件,采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理,以防止外界干扰信号的影响。应尽量选择框架结构的控制柜,同时要保证机柜的密封性能良好。

2)滤波

对供电系统输入线路采用多种形式的滤波处理,以消除和抑制高频干扰信号,同时也削弱了两个模块间的相互影响。

3)隔离

在微处理器与I/O电路之间,采用光电隔离措施,有效地把它们隔离开来,以防外部的干扰信号及地线环路中产生的噪声电信号通过公共地线进入PLC系统,从而影响其正常工作。

(4)系统接地方式

PLC控制柜盘与大地之间存在着电位差,良好的接地可以减少电位差引起的干扰电流。混入电源和输入/输出信号线的干扰,可通过接地线引入大地,从而减少干扰的影响。此外,良好的接地还可以有效地防止误动作,图3为控制系统接地的方式。图3a为控制器和其他设备分别接地方式,这种接地方式最好。如果做不到每个设备专用接地,也可以使用图3b所示的共用接地方式,但不允许使用图3c所示的共通接地方式,特别应避免与电机、变压器等动力设备共通接地。

(a)(b)(c)

图3 PLC接地

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,若某一次采样数值远大于其他几次采样的幅值,则舍之。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。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般认为:流量n1=12,压力n2=4时最合适。

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

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

(3)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。

(4)加强对程序的检查和校验。一旦程序有错,可立即报警,并停止执行程序。

(5)对程序及动态数据进行储存。当停电时利用存储卡或后备电池,保持有关信息和状态数据不丢失。

4.结束语

PLC控制系统的传导抗干扰是是一个十分复杂的问题,因此在工业控制领域应用中的各个环节,包括设计、安装施工和运行维护等都必须综合考虑各方面的因素,充分认识传导干扰机理,分析干扰来源及类型,从而采取有效合理的抗干扰措施,保证系统运行的可靠性。