PLC應用中的可靠性和抗干擾技術

PLC應用中的可靠性和抗干擾技術隨著相關技術的進展，plc的功能也越來越強，使用越來越便利。但是，整機的牢靠性高只是保證系統牢靠工作的前提，在設計和安裝PLC系統的過程中還要實行相應的措施，才能保證系統牢靠工作。假如PLC的工作環(huán)境過于惡劣，如溫度過高、濕度過大、振動和沖擊過強，以及電磁干擾嚴峻或安裝使用不當等，都會直接影響PLC的正常、平安和牢靠運行。假如外圍電路的抗干擾措施不當，整個掌握系統的牢靠性就大大降低。因此，在系統設計時應予以充分的考慮，在硬件上進行適當的配置，并輔以相應的軟件，以實現系統故障的防范。PLC掌握系統的牢靠性直接影響到企業(yè)的平安生產和經濟運行，系統的抗干擾力量是整個系統牢靠運行的關鍵。因此，分析討論PLC應用中的牢靠性和抗干擾技術是非常必要的。要提高PLC掌握系統的牢靠性，既要在硬件上實行措施，又要在軟件上設計相應的愛護程序。

1.PLC掌握系統中的干擾源

PLC系統的干擾源依據其來源分為內部干擾源和外部干擾源兩類，一般主要包括以下幾個方面。

（1）來自電氣掌握柜設備內部的干擾

①來自PLC系統內部的干擾，主要由PLC系統內部元器件及電路間的電磁輻射產生，如規(guī)律電路相互輻射及其對模擬電路的影響，數字地、模擬地和系統地處理不當而相互影響，以及元器件間的相互不匹配使用等。這屬于PLC制造商對系統內部進行電磁兼容設計的內容，作為使用者是無法轉變的。

②電氣掌握柜中使用諸如大功率變頻器和溝通接觸器等簡單產生干擾的器件。此類干擾有電路參數和工作點選擇不當而引起的震蕩或波形畸變、快速上升的脈沖源以及在信號傳送時阻抗的不匹配、器件的物理噪聲（如元件熱噪聲、觸點熱電勢等）。

③由于元器件布局不合理造成的內部信號相互串擾。如線路中存在的電容性元件引起的寄生振蕩以及由于電路規(guī)律設計和系統電氣設計不合理所產生的干擾。

（2）來自電氣掌握柜外部的干擾

①來自電源的干擾。由于PLC系統的正常供電電源均由電網供電，因電源引入的干擾造成PLC掌握系統故障的狀況許多，如高壓斷路器、隔離開關、大容量變壓器等的影響，大型電力設備起停和交直流傳動裝置引起的諧波，各種電氣設備（電動機、空氣開關等）、電焊機及電力系統的短路故障等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采納隔離電源，但制造工藝等因素使其隔離性并不抱負。由于分布電容的存在，肯定隔離是不行能的。

②來自信號線引入的干擾。與PLC掌握系統連接的各類信號線除了傳送各類有效的信息之外，還會受到空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾。這類干擾信號會引起PLC的I/O信號工作特別。

③來自接地系統的干擾。由地線侵入的靜電耦合或電磁耦合可對系統產生干擾。在PLC掌握系統中，由于各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，形成共模噪聲，影響系統正常工作。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內會消失感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合干擾信號回路。若系統地與其他接地處理混亂，所產生的地環(huán)流就可能在地線上產生不等電位分布，影響PLC內規(guī)律電路和模擬電路的正常工作。正確的接地既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾。錯誤的接地不僅會引入干擾信號，接地線本身還會成為天線向外輻射噪聲，干擾PLC掌握系統的正常工作。

④按鈕、繼電器等工作時觸點間產生的電弧、靜電產生的火花放電、外界的高頻加熱器、高頻淬火設備、雜亂的無線電波信號等帶來的干擾等。

（3）其他干擾

①雷擊造成的過電壓和過電流。

②溫度變化引起的接觸電阻的變化。

③機械振動。

2.干擾途徑

PLC掌握系統受到干擾的主要途徑有電源線、輸入/輸出線和空間傳播等。電源受干擾后，PLC掌握系統的供電質量變差，會引起PLC掌握失靈。輸入/輸出線受干擾后，會消失輸入/輸出掌握紊亂?？罩懈蓴_主要以電磁感應和靜電感應形式使PLC的CPU消失誤操作。

3.PLC掌握系統中的抗干擾措施

PLC掌握系統的牢靠性設計在系統設計中占有重要地位，在實際設計中，應依據應用系統的詳細特點和應用環(huán)境的詳細條件，敏捷地選擇行之有效的牢靠性設計技術和抗干擾措施，全面、合理地考慮系統的軟件和硬件設計，從總體上提高系統的抗干擾力量和牢靠性。

PLC掌握系統中的干擾是一個非常簡單的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對有些干擾狀況還需做詳細分析。在實際開發(fā)過程中，應充分考慮到對PLC的各種不利因素，在硬件、軟件的設計和安裝中實行適當的愛護措施，才能保證掌握系統平安、牢靠地運行。

要提高PLC掌握系統的牢靠性，針對干擾產生的緣由，必需從設計階段就實行相應的抑制措施，常見的措施有提高裝置和系統的抗干擾力量、抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑等，基本的抗干擾措施如表1所示。

表1常用的抗干擾措施

工程設計人員僅僅了解抗干擾的原則，把握抗干擾的最基本措施還不夠，很多狀況下干擾源對系統的干擾不是那么明顯，應綜合考慮各方面的因素，在實踐中不斷總結。在實際的工程設計中通常采納的主要抗干擾措施有：

（1）選擇抗干擾力量強的產品

在掌握系統的設備選型階段，考慮到各廠家PLC抗干擾性能的優(yōu)劣，選型時就需選擇有較高抗干擾力量的產品，其包括了電磁兼容性（ElectromagneticCompatibility，EMC），尤其是抗外部干擾的力量，如采納浮地技術、隔離性能好的PLC。其次還應了解生產廠家給出的抗干擾指標，如共模抑制比、差模抑制比、耐壓力量、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環(huán)境中工作等。另外最好的方法是考察該型號PLC在類似工作環(huán)境中的使用狀況。

（2）采納性能好的電源，抑制電網干擾

在PLC掌握系統中，電源占有極重要的地位。電網干擾串入PLC掌握系統主要通過PLC系統的供電電源（如CPU電源、I/O電源等）、變送器供電電源和與PLC系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入。PLC系統的供電電源一般都采納隔離性能較好的電源，變送器的電源及與PLC有直接電氣連接的儀表的供電電源應選擇分布電容小、抑制帶大（如采納多次隔離和屏蔽及漏感技術）的產品，以削減對PLC系統的干擾。

此外，PLC電源要與整個供電系統的動力電源分開，一般在進入PLC系統時加屏蔽隔離變壓器。屏蔽隔離變壓器的次級側至PLC系統間必需采納不小于2mm2的雙絞線。屏蔽體一般位于一、二次側兩線圈之間并與大地連接，這樣就可消退線圈間的直接耦合。另外，電源諧波比較嚴峻時，可在隔離變壓器前面加濾波器來消退電源的大部分諧波。必要時可在供電的電源線路上接入低通濾波器，以濾去高頻干擾信號。濾波器應放在隔離變壓器之前，即先濾波后隔離。分別供電系統，將掌握器、I/O通道和其他設備的供電采納各自的隔離變壓器分別開來，也有助于抗電網干擾。（3）電纜的選擇和敷設

PLC掌握系統的線路中有電源線、輸入/輸出線、動力線和接地線，布線不當則會造成電磁感應和靜電感應等干擾，因此必需根據特定的要求布線。動力電纜為高壓大電流線路，PLC系統的配線靠近時會受到干擾，因此布線時要將PLC的輸入/輸出線與其他掌握線分開，不要共用一條電纜。開關量信號線與模擬量信號線也應分開布線，而且后者應采納屏蔽線，并且將屏蔽層接地。數字傳送線也要采納屏蔽線，并且要將屏蔽層接地。外部布線時應將掌握電纜、動力電纜、輸入/輸出線分開且單獨布線，相互之間一般應保持30cm以上的間距。當實際狀況只能允許在同一線槽布線時，就用金屬板把掌握電纜、動力電纜、輸入/輸出線間隔開來并屏蔽，金屬板還必需接地。隔離變壓器二次側的電源線要采納2mm2以上的銅芯聚氯乙烯絕緣雙絞軟線。經過這樣處理的電源線、輸入/輸出線與動力線就可以削減外界磁場及相互之間的干擾。

（4）安裝中的抗干擾措施

PLC掌握系統所處的環(huán)境對其自身的抗干擾也有肯定的關系，因此在安裝時應留意以下幾個方面。

①濾波器、隔離穩(wěn)壓器應設在PLC掌握柜的電源進線口處，不讓干擾進入掌握柜內，或盡量縮短進線距離。

②PLC掌握柜應盡可能遠離高壓柜、大動力設備和高頻設備。

③PLC要盡可能遠離繼電器之類的電磁線圈和簡單產生電弧的觸點。

④PLC要遠離發(fā)熱的電氣設備或其他熱源，并放在通風良好的位置上。

⑤PLC的外部要有牢靠的防水措施，以防止雨水進入，造成機器損壞。

（5）正確選擇接地點，完善接地系統

接地的目的通常有兩個，一是為了平安，二是為了抑制干擾。完善的接地系統是PLC掌握系統抗電磁干擾的重要措施之一。

系統接地方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地3種。PLC掌握系統屬于高速低電平掌握裝置，應采納直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC掌握系統的接地線一般采納一點接地和串聯一點接地的方式，最好單獨接地，也可以與其他設備公共接地，但嚴禁與其他設備串連接地。集中布置的PLC系統適于并聯一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。假如裝置間距較大，應采納串聯一點接地的方式，即用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點，然后將接地母線直接連接接地極。接地線采納截面大于20mm2的銅導線，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻應小于2Ω，接地極最好埋在距建筑物10～15m遠處，而且PLC系統的接地點必需與強電設備的接地點相距10m以上。

信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地，不接地時應在PLC側接地。信號線中間有接頭時，屏蔽層應堅固連接并進行絕緣處理，肯定要避開多點接地。多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經絕緣處理。連接接地線時，應留意以下幾點：

①PLC掌握系統單獨接地。

②PLC系統的接地端是抗干擾的中性端子，正確接地可以有效消退電源系統的共模干擾。

③PLC系統的接地線至少用20mm2的專用接地線，以防止感應電的產生。

④輸入/輸出信號電纜的屏蔽線應與接地端子連接，且接地良好。

（6）外圍設備干擾的抑制

①PLC輸入/輸出端子的愛護

當輸入信號源為感性元件，輸出驅動的負載為感性元件時，對于直流電路應在其兩端并聯續(xù)流二極管。對于溝通電路，應在其兩端并聯阻容汲取電路。其作用是為了防止在感性輸入或輸出電路斷開時產生很高的感應電勢或浪涌電流對PLC輸入/輸出端和內部電源的沖擊，若PLC的驅動元件主要是電磁閥和溝通接觸器線圈，應在PLC輸出端與驅動元件之間增加光電隔離的過零型固態(tài)繼電器。

②輸入/輸出信號的防錯

當輸出元件為雙向晶閘管或晶體管而外部負載又很小時，由于這類輸出元件在關斷時有較大的漏電流，使輸入電路和外部負載電路不易關斷，導致輸入/輸出信號的錯誤，為此應在這類輸入/輸出端并聯旁路電阻，以減小PLC的輸入電流和外部負載上的電流。

③漏電流

當采納接近開關、光電開關等直流兩線式傳感器輸入信號時，若漏電流較大，應考慮由此而產生的誤動作，使PLC輸入信號不能關斷。一般在PLC的輸入端子上接一旁路電阻，以削減輸入阻抗。同樣用雙向晶閘管輸出時，為避開漏電流等緣由引起的輸出元件關斷不了，也可以在輸出端并聯一旁路電阻。

④浪涌電壓

在PLC觸點（開關量）輸出的場合，不管PLC本身有無抗干擾措施，都應采納RC汲取回路（溝通負載）或并接續(xù)流二級管（直流負載），以汲取感性負載產生的浪涌電壓。

⑤沖擊電流

用晶體管或雙向晶閘管輸出模塊驅動白熾燈之類的負載時，為愛護輸出模塊，應在PLC輸出端并接旁路電阻或與負載串聯限流電阻。

（7）電磁干擾的抑制

依據干擾模式的不同，PLC掌握系統的電磁干擾分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射等在信號線上感應的電壓疊加所形成。共模電壓有時較大，特殊是采納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換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞（這是PLC系統I/O模塊損壞率較高的主要緣由）。這種共模干擾可為直流，也可為溝通。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間的感應以及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓。這種電壓疊加在信號上，直接影響測量與掌握精度。為了保證PLC掌握系統在工業(yè)環(huán)境中免受或削減電磁干擾，一般采納隔離和屏蔽的方法。

（8）軟件抗干擾措施

由于電磁干擾的簡單性，要根本消退干擾的影響是不行能的，因此在PLC掌握系統的軟件設計和組態(tài)時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統的牢靠性。

由于噪聲、開關的誤動作、模擬信號誤差等因素的影響，PLC的外部開關量和模擬量輸入信號會消失錯誤，引起程序推斷失誤，造成事故。當按鈕、開關作為輸入信號時，則不行避開產生抖動。假如輸入信號是繼電器/接觸器觸點，有時會產生瞬間跳動，引起系統誤動作。在這種狀況下，可采納定時器延時來去掉抖動，定時時間依據觸點抖動狀況和系統要求的響應速度而定，這樣可保證觸點的確穩(wěn)定閉合（或斷開）后才執(zhí)行特定的任務處理。

對于模擬信號可采納多種軟件濾波方法來提高數據的牢靠性。連續(xù)采樣多次，采樣間隔依據Ａ/Ｄ轉換時間和信號的變化頻率而定。采樣數據先后存放在不同的數據寄存器中，經比較后取中間值或平均值作為當前輸入值。常用的數字濾波方法有程序推斷濾波、中值濾波、滑動平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算術平均值濾波、去極值平均濾波等。

①程序推斷濾波適用于對采樣信號因受到隨機干擾或傳感器不穩(wěn)定而引起的失真進行濾波。設計時依據閱歷確定兩次采樣允許的最大偏差，若先后兩次采樣的信號差