淺議PLC控制系統(tǒng)設計及其干擾抑制

1、淺議PLC控制系統(tǒng)設計及其干擾抑制        論文導讀：可編程控制器（ProgrammableLogicController）簡稱PLC它是將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、通訊技術(shù)和微機技術(shù)相融合，專為工業(yè)控制而設計的專用控制器。關(guān)鍵詞：PLC，控制系統(tǒng)抗干擾措施可編程控制器（ProgrammableLogic Controller）簡稱PLC它是將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、通訊技術(shù)和微機技術(shù)相融合，專為工業(yè)控制而設計的專用控制器。由于PLC本身所具有的一系列優(yōu)點，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中的普及范圍越來越廣，PLC產(chǎn)品的種類也

2、越來越多，其結(jié)構(gòu)型號、性能、容量、指令系統(tǒng)，編程方法等各不相同，適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC 對于提高其在控制系統(tǒng)中的應用有著重要作用。應用PLC首先要詳細分析被控對象、控制過程與要求，熟悉了解工藝流程后列出控制系統(tǒng)的所有功能和指標要求與繼電器控制系統(tǒng)和工業(yè)控制計算機進行比較后加以選擇。PLC 最適合于控制對象的工業(yè)環(huán)境較差，而安全性、可靠性要求特別高，系統(tǒng)工藝復雜，輸入輸出以開關(guān)量為多，用常規(guī)的繼電器接觸器難以實現(xiàn)，工藝流程又要經(jīng)常變動的對象和現(xiàn)場。其次要確定控制范圍，一般講，能夠反映生產(chǎn)過程的運行情況，能用傳感器進行直接測量的參數(shù)；用人工進行控制工作量大，操作復雜容易出錯或操作

3、過于頻繁，人工操作不容易滿足工藝要求的往往由PLC控制。盡管PLC自身具備良好的抗干擾能力，但在實際應用中各種類型PLC大多處在惡劣電磁環(huán)境中,在實際應用中常遇到PLC因干擾而不能正常工作的情形,所以在PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力仍然是設計系統(tǒng)不容忽視的問題。1 PLC 的選擇1） PLC機型的選擇 PLC機型的選擇主要是指在功能上如何滿足需要，并且充分利用系統(tǒng)資源。選擇機型前，首先要對被控制系統(tǒng)進行初步估計：有多少開關(guān)量輸入，電壓分別為多少，有多少開關(guān)量輸出，輸出功率為多少；有多少模擬量輸人和模擬量輸出；是否有特殊控制要求，如高速計數(shù)器（HC）；現(xiàn)場對控制器響應速度有何要求；機房與現(xiàn)場分開還是在

4、一起等。在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格最優(yōu)的機型。通常的做法是：在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好的場合，選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC；其他情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC；對于開關(guān)量控制以及以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的，一般其控制速度無須考慮，因此選用帶A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換，加減運算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機就能滿足要求；而控制比較復雜，控制功能要求比較高的，可根據(jù)控制規(guī)模及復雜程度來選用中檔或高檔機。應該注意的是，同一個企業(yè)應盡量做到機型統(tǒng)一，這樣同一個機型的PLC模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；同時，其統(tǒng)一的功能及編程方法也有利于技術(shù)力量的培訓、技

5、術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)；此外，由于其外部設備通用，資源可以共享，并集中管理。2） 輸入/輸出端口（I/O）的選擇PLC與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I/O接口模塊來實現(xiàn)的，PLC有許多I/O接口模塊，包括開關(guān)量輸入、輸出模塊、模擬量輸人模塊、模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時應根據(jù)它們的特點進行選擇。（1） 確定l/O點數(shù)。不同的控制對象所需要的陽點數(shù)不同，一些典型的傳動設備及常用的電氣元件所需PLC的I/O點數(shù)是固定的，如一個帶磁環(huán)雙作用氣缸需用2個輸入點；一個按鈕需一個輸入點；一個指示燈占用一個輸出點等。但對于同一個控制對象，由于采用的控制方法不同或編程水平不同，I/O點數(shù)也應有變化

6、。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需的I/O點數(shù)時，應再增加10一20的備用量，以便拓展控制功能。（2） 開關(guān)量I/O。開關(guān)量I/O接口可以從傳感器和開關(guān)（如按鈕、行程開關(guān)等）及控制設備（如指示燈、電動機啟動器等）接收信號。典型的交流I/O信號為24240V，直流I/O信號為5240V。輸入電路因PLC品牌不同略有差別，但有些特性是相同的，如用于消除錯誤信號的抖動電路等。（3）模擬量I/O。模擬量I/O接口一般用來感知傳感器產(chǎn)生的信號。這些接口可用于測量流量、溫度和壓力，并可用于控制電壓或電流輸出設備。其典型量程為-10+10V、0+11V、420mA或1050mA。一些制造廠家在PLC上設計有特殊模

7、擬接口，因而可以接收低電平信號，如RTD、熱電偶等。3） 存儲器類型及容量選擇PLC系統(tǒng)所使用的存儲器由ROM和RAM組成，存儲容量則隨機器的大小變化，最大存儲能力：一般小型機最大存儲能力低于6KB，中型機的最大存儲能力可達64KB，大型機的最大存儲能力可上兆字節(jié)。使用時可根據(jù)程序及數(shù)據(jù)的存儲需要來選用合適的機型。必要時也可專門進行存儲器的擴充設計。4） 電源模塊選擇在系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，PLC的編程問題是非常重要的。用戶應當對所選擇PLC產(chǎn)品的軟件功能及編程器有所了解。小型控制系統(tǒng)一般選用價格便宜的簡易編程器（如LOGO），如果系統(tǒng)較大或多臺PLC共用，可以選用功能強，編程方便的圖形編程器。如

8、果有個人計算機，可以選用能在個人計算機上運行的編程軟件包。同時，為了防止因干擾、電池電壓下降等原因破壞RAM中的用戶程序，可以選用E2PROM模塊作為外部設備。論文參考網(wǎng)。對于結(jié)構(gòu)為模塊式的PLC，電源模塊和額定電流必須大干或等于主機、I/O模塊、專用模塊等總的消耗電流之和。當使用專用機架時從主機架電源模塊到最遠一個擴展機架的線路壓降必須小于0.25V。5） 程序設計根據(jù)控制對象的控制任務完成前述階段后就可以進行控制系統(tǒng)的流程設計，畫出控制系統(tǒng)的流程圖，進一步說明各個控制信息之間的關(guān)系，然后具體安排I/O的配置，并對I/O進行地址編號。I/O地址編號確定后，再畫出I/O端子和現(xiàn)場信號接線圖，進

9、行系統(tǒng)設計即可將硬件設計和程序編寫二項工作平行進行，編寫程序的過程就是軟件設計過程。用戶編寫的程序在總裝統(tǒng)調(diào)前需要進行模擬調(diào)試。用裝在戶LC 上的模擬開關(guān)模擬輸入信號的狀態(tài)，用輸出點的指示燈模擬被控對象，檢查程序無誤后便把PLC接到系統(tǒng)里，進行總裝統(tǒng)調(diào)，如果統(tǒng)調(diào)達不到指標要求則可對硬件和軟件作調(diào)整，全部調(diào)試結(jié)束后，一般將程序固化在有長久記憶功能的EPROM中長期保存。2 PLC系統(tǒng)的干擾源 PLC的干擾源比較復雜，分類方法較多，常見的有按性質(zhì)分或按來源分。按性質(zhì)可分為共模干擾和差模干擾兩大類。共模干擾主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)(同方向) 電壓迭加所形成。共模電壓

10、有時較大,特別是采用隔離性能差的配電器供電時,變送器輸出信號的共模電壓普遍較高,有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓,直接影響測控信號,造成元器件損壞,這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因。這種共模干擾可為直流,亦可為交流。差模干擾主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓,這種干擾直接疊加在信號上,直接影響測量與控制精度。論文參考網(wǎng)。按來源可分為內(nèi)部干擾和外部干擾。內(nèi)部干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生,如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響,模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于PLC 制

11、造廠對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設計的內(nèi)容,比較復雜,作為應用部門無法改變,可不必過多考慮。外部干擾主要有來自空間的輻射干擾、來自電源的干擾、來自信號線引入的干擾、來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾等。來自空間的輻射干擾主要是由電力網(wǎng)絡、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產(chǎn)生的,通常稱為輻射干擾,其分布極為復雜,若PLC 系統(tǒng)置于射頻場內(nèi),就會受到輻射干擾。3 抗干擾措施1） 硬件措施（1）屏蔽：對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。（2）濾波：對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊之間

12、的相互影響。（3）電源調(diào)整與保護：對CPU這個核心部件所需的5V 電源，采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進行調(diào)整，以適應交流電網(wǎng)的波動和過電壓、欠電壓的影響。（4）隔離：在CPU與I/O電路間，采用光電隔離措施，有效隔離I/O間的電聯(lián)系，減少故障誤動作。（5）采用模塊式結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)有助干在故障情況下短時修復。論文參考網(wǎng)。因為一旦查處某一模塊出現(xiàn)故障，就能迅速更換，使系統(tǒng)回復正常工作，也有助于加快查找故障原因。2） 軟件措施（1）故障檢測：PLC本身有很完善的自診斷功能，但在工程實踐中，PLC的I/O元件如限位開關(guān)、電磁閥、接觸器等的故障率遠遠高于PLC的本身故障率，這些元件出現(xiàn)故障后，PLC

13、一般不會察覺出來，不會立即停機，這會導致多個故障相繼發(fā)生，嚴重時會造成人身設備事故，停機后查找故障也要花費大量時間。（2）信息保護和恢復：當偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時，不破壞PLC內(nèi)部的信息，一旦故障條件消失，就可以恢復正常繼續(xù)原來的工作。所以，PLC在檢測故障條件時，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲器，軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲器信息被沖掉，一旦檢測到外界環(huán)境正常后，便可恢復到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的程序工作。（3）提高輸入信號的可靠性：由于電磁干擾、噪聲、模擬信號誤差等因素的影響，會引起輸入信號的錯誤，引起程序判斷失誤，造成事故，例如按鈕的抖動、繼電器觸點的瞬間跳動都會引起系統(tǒng)誤動作，可以采用軟件延時去抖。對于模擬信號誤差的影響可采取對模擬信號連續(xù)采樣三次采樣間隔根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換時間和該信號的變化頻率而定，三個數(shù)據(jù)先后存放在不同的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)比較后取中間值或平均值作為當前輸入值。在硬件和軟件方面采取各種措施后,大大提高。4 結(jié)束語目前，隨著各種技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的種類日益繁多功能也逐漸增強，在產(chǎn)品規(guī)模上向大小兩個發(fā)展。在實際工作中還要根據(jù)實際情況對PLC的選用做出適