论文部分内容阅读
摘要：在工业环境中，窑炉系统PLC抗干扰设计在PLC控制系统设计中占有十分重要的地位，本文对干扰源进行了详尽的分析、论述，从硬件和软件两方面阐述了窑炉系统PLC控制系统的抗干扰设计方法。
关键词：PLC；干扰源；抗干扰设计
一、PLC控制系统中电磁干扰的主要来源
1.来自电源的干扰
工业现场种类繁多的动力设备的启停运转，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，这些干扰均会通过耦合到PLC系统的电路，给系统造成极大的危害。同样，这些干扰源也能以电磁场方式作用到PLC系统上而造成干扰。例如：某厂在氮化炉控制系统最初采用调压方式进行炉温控制，常常造成近百伏的瞬时过压或欠压形成涌流，严重影响系统正常运行。
2.信号通道干扰
信号通道干扰：一是通过变送器供电电源或共用仪表的供电电源窜入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射的干扰。由信号线引入的干扰会引起1/0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。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、误动作和死机。
3.来自接地系统混乱时的干扰
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。正确的接地，既能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控制系统无法正常工作。
接地系统混乱使各个接地点电位分布不均，引起地环路电流，影响系统正常工作。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，形成干扰信号回路。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不等电位分布。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，造成数据混乱或死机。
二、PLC控制系统的抗干扰设计与施工
1.设备选型
首先应选择有较高抗干扰能力的产品，如：采用浮地技术、隔离性能好的PLC；其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，按我国的标准（GB/T13926）合理选择。再次在设备选型时，应注意PLC的输入、输出方式。在设计时，应尽量选用可靠性高的元器件。例如：选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。对于直流与交流信号分别使用各自的电缆；对于系统的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地。
2.综合抗干扰设计
电源抗干扰措施：在PLC控制系统中，电网引入的干扰主要通过PLC系统的供电电源、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。因此，对于PLC系统供电的电源，可以采用隔离性能较好电源，例如：UPS。
通道抗干扰措施：（1）通道隔离技术。对于系统通道来说，由于测控点离控制中心很远，对每个测控量的输入，输出通道两端，无论是模拟量还是数字量，接地点不可能等电压，这样，就会在通道中形成地环路电流。另外，别的干扰也会通过通道窜入系统。因此，采用隔离技术能很好地抑制这种干扰。对数字量来说，可以采用光电耦合器、继电器等器件隔离，并辅以施密特、RC等滤波、整形电路；对模拟量来说，则可以采用线性光耦、隔离变压器、隔离放大器、差动放大电路等方法予以解决。
在I/O通道有感性负载时，为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响，对于交流负载，应在线圈两端并联RC吸收电路。对于直流输入信号，可并接续流二极管。
（2）接地技术。在PLC控制系统中，接地是抑制干扰的主要方法。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。接地极的接地电阻小于5Ω，接地极最好埋在距建筑物10-15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10M以上。
（3）屏蔽技术。屏蔽技术是破坏“场”干扰途径的重要方法，笔者在上述工程的现场参数检测中，就深刻体会到：正确的屏蔽技术与接地技术结合，可以取得良好的抗干扰效果。
导线间的相互干扰，主要是通过三种耦合产生的：其一是电容性耦合，即两回路的电场相互作用的结果；其二是电感性耦合，即两个回路的磁场相互作用的结果：其三是电场和磁场组合而成的，又称电磁耦合或辐射。对于导线间的电磁干扰，可采用两种主要方法抑制：一是抑制干扰源、二是屏蔽干扰源。抑制干扰源是将干扰源远离易受干扰的信号线，即严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，将强、弱信号线远离，以减少电磁干扰。
3.空间的抗干扰措施
抗干扰的措施主要有：屏蔽，在干扰源的周围加上屏蔽层，并将屏蔽层一点接地；其二是使用双绞线、同轴电缆、光缆和屏蔽电缆等缆线防止耦合干扰；其三，浮地。信号地与机壳、大地浮空，使电路与机壳或大地之间无直流联系。这就加大了信号地与外界的阻抗，阻断了干扰电流的通路；其四，可在信号通道中设置滤波器，以滤除干扰。
采用软件抗抗干扰措施，硬件的抗干扰措施可以大大提高系统的测控精度和工作可靠性，而系统的抗干扰又不能完全依靠硬件解决。因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应从软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用指令、数据冗余技术；设计相应的软件标志位，采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。
三、结语
PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作，取得了满意的效果。
参考文献：
[1]周万珍，高鸿斌.PLC分析与设计应用[M].北京：电子工业出版社，2004.
[2]徐科军.自动检测和仪表的共性技术[M].北京：清华人学出版社，2000.
[3]工培清，李迪译.电子系统中噪声的抑制与衰减技术[M].北京；电子工业出版社，2003.
关键词：PLC；干扰源；抗干扰设计
一、PLC控制系统中电磁干扰的主要来源
1.来自电源的干扰
工业现场种类繁多的动力设备的启停运转，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，这些干扰均会通过耦合到PLC系统的电路，给系统造成极大的危害。同样，这些干扰源也能以电磁场方式作用到PLC系统上而造成干扰。例如：某厂在氮化炉控制系统最初采用调压方式进行炉温控制，常常造成近百伏的瞬时过压或欠压形成涌流，严重影响系统正常运行。
2.信号通道干扰
信号通道干扰：一是通过变送器供电电源或共用仪表的供电电源窜入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射的干扰。由信号线引入的干扰会引起1/0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。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、误动作和死机。
3.来自接地系统混乱时的干扰
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。正确的接地，既能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控制系统无法正常工作。
接地系统混乱使各个接地点电位分布不均，引起地环路电流，影响系统正常工作。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，形成干扰信号回路。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不等电位分布。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，造成数据混乱或死机。
二、PLC控制系统的抗干扰设计与施工
1.设备选型
首先应选择有较高抗干扰能力的产品，如：采用浮地技术、隔离性能好的PLC；其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，按我国的标准（GB/T13926）合理选择。再次在设备选型时，应注意PLC的输入、输出方式。在设计时，应尽量选用可靠性高的元器件。例如：选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。对于直流与交流信号分别使用各自的电缆；对于系统的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地。
2.综合抗干扰设计
电源抗干扰措施：在PLC控制系统中，电网引入的干扰主要通过PLC系统的供电电源、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。因此，对于PLC系统供电的电源，可以采用隔离性能较好电源，例如：UPS。
通道抗干扰措施：（1）通道隔离技术。对于系统通道来说，由于测控点离控制中心很远，对每个测控量的输入，输出通道两端，无论是模拟量还是数字量，接地点不可能等电压，这样，就会在通道中形成地环路电流。另外，别的干扰也会通过通道窜入系统。因此，采用隔离技术能很好地抑制这种干扰。对数字量来说，可以采用光电耦合器、继电器等器件隔离，并辅以施密特、RC等滤波、整形电路；对模拟量来说，则可以采用线性光耦、隔离变压器、隔离放大器、差动放大电路等方法予以解决。
在I/O通道有感性负载时，为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响，对于交流负载，应在线圈两端并联RC吸收电路。对于直流输入信号，可并接续流二极管。
（2）接地技术。在PLC控制系统中，接地是抑制干扰的主要方法。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。接地极的接地电阻小于5Ω，接地极最好埋在距建筑物10-15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10M以上。
（3）屏蔽技术。屏蔽技术是破坏“场”干扰途径的重要方法，笔者在上述工程的现场参数检测中，就深刻体会到：正确的屏蔽技术与接地技术结合，可以取得良好的抗干扰效果。
导线间的相互干扰，主要是通过三种耦合产生的：其一是电容性耦合，即两回路的电场相互作用的结果；其二是电感性耦合，即两个回路的磁场相互作用的结果：其三是电场和磁场组合而成的，又称电磁耦合或辐射。对于导线间的电磁干扰，可采用两种主要方法抑制：一是抑制干扰源、二是屏蔽干扰源。抑制干扰源是将干扰源远离易受干扰的信号线，即严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，将强、弱信号线远离，以减少电磁干扰。
3.空间的抗干扰措施
抗干扰的措施主要有：屏蔽，在干扰源的周围加上屏蔽层，并将屏蔽层一点接地；其二是使用双绞线、同轴电缆、光缆和屏蔽电缆等缆线防止耦合干扰；其三，浮地。信号地与机壳、大地浮空，使电路与机壳或大地之间无直流联系。这就加大了信号地与外界的阻抗，阻断了干扰电流的通路；其四，可在信号通道中设置滤波器，以滤除干扰。
采用软件抗抗干扰措施，硬件的抗干扰措施可以大大提高系统的测控精度和工作可靠性，而系统的抗干扰又不能完全依靠硬件解决。因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应从软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用指令、数据冗余技术；设计相应的软件标志位，采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。
三、结语
PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作，取得了满意的效果。
参考文献：
[1]周万珍，高鸿斌.PLC分析与设计应用[M].北京：电子工业出版社，2004.
[2]徐科军.自动检测和仪表的共性技术[M].北京：清华人学出版社，2000.
[3]工培清，李迪译.电子系统中噪声的抑制与衰减技术[M].北京；电子工业出版社，2003.