PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘 要：分析了影響PLC控制系統(tǒng)可靠生的主要因素,研究了PLC控制系統(tǒng)的硬件抗干擾措施的設(shè)計(jì)方法和原理,并將這些措施應(yīng)用在軸承專用磨床SMZ203D的PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)中。
關(guān)鍵字：PLC控制系統(tǒng) 抗干擾設(shè)計(jì)劃工作 應(yīng)用

1 引言

PLC（Programmable Logic Controller）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和通訊技術(shù)的一種工業(yè)自動(dòng)控制裝置。PLC作為新一代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，因其具有體積小、功能強(qiáng)、通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易學(xué)及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工業(yè)環(huán)境使用。但如果環(huán)境過(guò)于惡劣，如強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)腐蝕、高粉塵、強(qiáng)輻射、劇烈的沖擊和震動(dòng)，都不能保證PLC正常、安全地運(yùn)行。因此，研究PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

2 影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素

PLC控制系統(tǒng)的可靠性通常用平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure，簡(jiǎn)稱WIBF）來(lái)衡量。它表示系統(tǒng)從發(fā)生故障進(jìn)行修理到下一次發(fā)生故障的時(shí)間間隔的平均值。PLC裝置本身是非常可靠的，而PLC控制系統(tǒng)的干擾主要是外部環(huán)節(jié)和硬件配置不當(dāng)引起的。一是電源側(cè)的工頻干擾，它由電源進(jìn)入PLC裝置，造成系統(tǒng)工作不正常;二是線路傳輸中的靜電或磁場(chǎng)耦合干擾，以及周圍高頻電源的輻射干擾，靜電耦合是通過(guò)信號(hào)線與電源線之間的寄生電容，磁場(chǎng)耦合發(fā)生在長(zhǎng)布線中線間的寄生互感上，高頻輻射是通過(guò)高頻交變磁場(chǎng)與信號(hào)間的寄生電容;三是PLC控制系統(tǒng)的接地系統(tǒng)不當(dāng)引起的干擾。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中往往從以下幾個(gè)方面考慮[1]：1）對(duì)程序和數(shù)據(jù)的保護(hù);2）對(duì)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性;3）故障安全原則，系統(tǒng)間獨(dú)立性原則與冗余及容錯(cuò)結(jié)構(gòu);4）運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性。

3 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

根據(jù)影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素，在PLC控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該從系統(tǒng)軟件和硬件兩方面考慮，以提高PLC控制制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。而在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，主要考慮控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)。

3MZ203D機(jī)床是軸承套圈內(nèi)圓磨床，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求和多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該3MZ203D內(nèi)圓磨床的PLC控制系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)及應(yīng)用采取了相關(guān)措施，下面對(duì)此進(jìn)行介紹。

3.1 抑制電源系統(tǒng)引入的干擾

為了抑制電網(wǎng)大容量設(shè)備起停引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)及工頻干擾，這方面可采用隔離變壓器，并進(jìn)行濾波，所有屏蔽層進(jìn)行良好接地。如圖1所示。

3．2安裝與布線額的抗干擾設(shè)計(jì)應(yīng)用

在大地電位變化較大的場(chǎng)所，PLC系統(tǒng)受到共模干擾，而且很容易轉(zhuǎn)變?yōu)榇８蓴_，因此控制系統(tǒng)的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)就尤為重要。控制系統(tǒng)的接地方式采用獨(dú)立接地方，如圖2所示。接地時(shí)應(yīng)注意：接地線應(yīng)盡量短且截面積應(yīng)大于2mm ； 接地點(diǎn)盡量靠近控制器；接地線應(yīng)避開強(qiáng)電回路和主回路的電線，無(wú)法避開時(shí)應(yīng)垂直交叉；接地電阻應(yīng)小于2Ω。

PLC電源線、I／O電源線、輸入信號(hào)線、輸出信號(hào)線、交流線、直流線分別使用各自的電纜， 且盡量分開布線。開關(guān)量信號(hào)線和模擬量信號(hào)線也盡量分開布線。而且，模擬量信號(hào)線應(yīng)需要屏蔽電纜，并將電纜的屏蔽層接地；數(shù)字傳輸線也要采用屏蔽電纜，并將電纜的屏蔽層接地； 當(dāng)交流與直流的輸入和輸出信號(hào)線不得不問(wèn)時(shí)使用同一配線管時(shí)，直流輸入、輸出信號(hào)線要使用屏蔽電纜，并將屏蔽層接地。

3.3 輸入信號(hào)的抗干擾設(shè)計(jì)與應(yīng)用

輸入設(shè)備的輸入信號(hào)的線間干擾(差模干擾)用輸入模塊的濾波器可以使其衰減，然而，輸入信號(hào)線與地問(wèn)的共模十?dāng)_在控制器內(nèi)部回路產(chǎn)生的電位差仍會(huì)引起控制器誤動(dòng)作。因此， 為了抗共模 F擾，控制器要良好接地。

當(dāng)輸入信號(hào)源為感性元件，輸出負(fù)載的負(fù)載特性為感性元件時(shí)，為了防止反沖感應(yīng)電勢(shì)或浪涌電流損壞模塊，對(duì)于交流輸入信號(hào)在負(fù)載倆端并聯(lián)電容C和電阻R， 對(duì)于直流輸入信號(hào)并聯(lián)續(xù)流二極管VD，如圖3所示。在圖3 (a) 中R、C參數(shù)一般選擇為120Ω+0．1μF(當(dāng)負(fù)荷容量<10V·A時(shí))或47Ω+0.471μF (當(dāng)負(fù)荷容量>10V·A時(shí))。在圖3 (b)中，二極管的額定電流選為1A，額定電壓要大于電源電壓的3倍。對(duì)于感應(yīng)電壓的干擾，采用輸入電壓直流化或輸入端并接浪涌吸收器的方法抑制[1]。

3．4輸出信號(hào)的抗干擾設(shè)計(jì)

交流感性負(fù)載場(chǎng)合下，在負(fù)載兩端并接浪涌吸收器；直流負(fù)載場(chǎng)合下，在負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管VD， 以抑制輸出信號(hào)的干擾， 如圖4所示。在圖4 (a)中，RC越靠近負(fù)載，抗干擾效果越好。當(dāng)PLC的輸出驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為電磁閥這類元件時(shí)，可在輸出端和電磁閥之間加固態(tài)繼電器(SSR)進(jìn)行隔離。另外，從抗干擾的角度出發(fā)，適當(dāng)選擇I／0模塊也是很重要的。在干擾多的場(chǎng)合，可選用絕緣型的I／O模塊和裝有浪涌吸收器的模塊，可以有效地抑制輸入輸出信號(hào)地干擾。

3．5輸入輸出信號(hào)漏電流地處理

當(dāng)輸入信號(hào)源為晶體管，或是光電開關(guān)輸出類型時(shí)，當(dāng)輸出元件為雙向，或是晶體管輸出而外部負(fù)載又很小時(shí)會(huì)因?yàn)檫@類輸出元件在關(guān)斷時(shí)有較大地漏電流，使輸入電路和外部負(fù)載電路不能關(guān)斷，導(dǎo)致輸入與輸出信號(hào)地錯(cuò)誤。為此，在這類輸入、輸出端要并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負(fù)載上的電流，如圖5所示。

圖5中旁路電阻可按以下方式計(jì)算：

R
式中：Um為輸入信號(hào)源或外部負(fù)載電壓的最大值；
l1為輸入信號(hào)源或輸出晶閘管最大漏電流；
ln為輸入點(diǎn)或外部負(fù)載的額定電流。

3.6 輸入輸出信號(hào)采用光電隔離措施的抗干擾設(shè)計(jì)

利用光電耦合器的開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)輸入和輸出信號(hào)的完全隔離，是抑制干擾的有效措施之一。光電耦合器如圖6所示。光電耦合器把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號(hào)源隔離開來(lái)， 也就是把“模擬地” 和“數(shù)字地” 斷開。由于光電耦合器具有很高的輸入／輸出絕緣電阻和較高地輸出阻抗，被測(cè)信號(hào)可通過(guò)光電耦合器獲得通路，而共模干擾信號(hào)由于不成回路而得到有效抑制， 因此，在PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)I／O信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離，與PLC系統(tǒng)本體分開，切斷了干擾噪聲的通道，解決了輸入輸出回路的抗干擾問(wèn)題， 是系統(tǒng)調(diào)試方便，運(yùn)行可靠。

在3MZ203D專用磨床的PLC控制系統(tǒng)中，采用了以上幾種方式的抗干擾措施，取得了良好的系統(tǒng)抗干擾能力，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的使用，未出現(xiàn)由于干擾而引起的誤動(dòng)作，整個(gè)PLC系統(tǒng)的故障率也下降了，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

要提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾的措施還有很多，本文僅探討和應(yīng)用了常用的硬件抗干擾和保護(hù)措施。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，又充分考慮對(duì)PLC的各種不利因素，在硬件設(shè)計(jì)中采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，就完全可以使控制系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

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