PLC應(yīng)用中的可靠性和抗干擾技術(shù)

PLC應(yīng)用中的可靠性和抗干擾技術(shù)隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展，plc的功能也越來(lái)越強(qiáng)，使用越來(lái)越便利。但是，整機(jī)的牢靠性高只是保證系統(tǒng)牢靠工作的前提，在設(shè)計(jì)和安裝PLC系統(tǒng)的過(guò)程中還要實(shí)行相應(yīng)的措施，才能保證系統(tǒng)牢靠工作。假如PLC的工作環(huán)境過(guò)于惡劣，如溫度過(guò)高、濕度過(guò)大、振動(dòng)和沖擊過(guò)強(qiáng)，以及電磁干擾嚴(yán)峻或安裝使用不當(dāng)?shù)龋紩?huì)直接影響PLC的正常、平安和牢靠運(yùn)行。假如外圍電路的抗干擾措施不當(dāng)，整個(gè)掌握系統(tǒng)的牢靠性就大大降低。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分的考慮，在硬件上進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲茫⑤o以相應(yīng)的軟件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的防范。PLC掌握系統(tǒng)的牢靠性直接影響到企業(yè)的平安生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾力量是整個(gè)系統(tǒng)牢靠運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，分析討論P(yáng)LC應(yīng)用中的牢靠性和抗干擾技術(shù)是非常必要的。要提高PLC掌握系統(tǒng)的牢靠性，既要在硬件上實(shí)行措施，又要在軟件上設(shè)計(jì)相應(yīng)的愛護(hù)程序。

1.PLC掌握系統(tǒng)中的干擾源

PLC系統(tǒng)的干擾源依據(jù)其來(lái)源分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源兩類，一般主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）來(lái)自電氣掌握柜設(shè)備內(nèi)部的干擾

①來(lái)自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，主要由PLC系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的電磁輻射產(chǎn)生，如規(guī)律電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響，數(shù)字地、模擬地和系統(tǒng)地處理不當(dāng)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(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的內(nèi)容，作為使用者是無(wú)法轉(zhuǎn)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(jiǎn)單產(chǎn)生干擾的器件。此類干擾有電路參數(shù)和工作點(diǎn)選擇不當(dāng)而引起的震蕩或波形畸變、快速上升的脈沖源以及在信號(hào)傳送時(shí)阻抗的不匹配、器件的物理噪聲（如元件熱噪聲、觸點(diǎn)熱電勢(shì)等）。

③由于元器件布局不合理造成的內(nèi)部信號(hào)相互串?dāng)_。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(shè)計(jì)和系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)不合理所產(chǎn)生的干擾。

（2）來(lái)自電氣掌握柜外部的干擾

①來(lái)自電源的干擾。由于PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電，因電源引入的干擾造成PLC掌握系統(tǒng)故障的狀況許多，如高壓斷路器、隔離開關(guān)、大容量變壓器等的影響，大型電力設(shè)備起停和交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波，各種電氣設(shè)備（電動(dòng)機(jī)、空氣開關(guān)等）、電焊機(jī)及電力系統(tǒng)的短路故障等，都通過(guò)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(fù)。由于分布電容的存在，肯定隔離是不行能的。

②來(lái)自信號(hào)線引入的干擾。與PLC掌握系統(tǒng)連接的各類信號(hào)線除了傳送各類有效的信息之外，還會(huì)受到空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾。這類干擾信號(hào)會(huì)引起PLC的I/O信號(hào)工作特別。

③來(lái)自接地系統(tǒng)的干擾。由地線侵入的靜電耦合或電磁耦合可對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在PLC掌握系統(tǒng)中，由于各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)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(tǒng)正常工作。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)會(huì)消失感應(yīng)電流，通過(guò)屏蔽層與芯線之間的耦合干擾信號(hào)回路。若系統(tǒng)地與其他接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)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(shè)備向外發(fā)出干擾。錯(cuò)誤的接地不僅會(huì)引入干擾信號(hào)，接地線本身還會(huì)成為天線向外輻射噪聲，干擾PLC掌握系統(tǒng)的正常工作。

④按鈕、繼電器等工作時(shí)觸點(diǎn)間產(chǎn)生的電弧、靜電產(chǎn)生的火花放電、外界的高頻加熱器、高頻淬火設(shè)備、雜亂的無(wú)線電波信號(hào)等帶來(lái)的干擾等。

（3）其他干擾

①雷擊造成的過(guò)電壓和過(guò)電流。

②溫度變化引起的接觸電阻的變化。

③機(jī)械振動(dòng)。

2.干擾途徑

PLC掌握系統(tǒng)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(tǒng)的供電質(zhì)量變差，會(huì)引起PLC掌握失靈。輸入/輸出線受干擾后，會(huì)消失輸入/輸出掌握紊亂?？罩懈蓴_主要以電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)形式使PLC的CPU消失誤操作。

3.PLC掌握系統(tǒng)中的抗干擾措施

PLC掌握系統(tǒng)的牢靠性設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要地位，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)依據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的詳細(xì)特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境的詳細(xì)條件，敏捷地選擇行之有效的牢靠性設(shè)計(jì)技術(shù)和抗干擾措施，全面、合理地考慮系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)，從總體上提高系統(tǒng)的抗干擾力量和牢靠性。

PLC掌握系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題，因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對(duì)有些干擾狀況還需做詳細(xì)分析。在實(shí)際開發(fā)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮到對(duì)PLC的各種不利因素，在硬件、軟件的設(shè)計(jì)和安裝中實(shí)行適當(dāng)?shù)膼圩o(hù)措施，才能保證掌握系統(tǒng)平安、牢靠地運(yùn)行。

要提高PLC掌握系統(tǒng)的牢靠性，針對(duì)干擾產(chǎn)生的緣由，必需從設(shè)計(jì)階段就實(shí)行相應(yīng)的抑制措施，常見的措施有提高裝置和系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)的干擾不是那么明顯，應(yīng)綜合考慮各方面的因素，在實(shí)踐中不斷總結(jié)。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中通常采納的主要抗干擾措施有：

（1）選擇抗干擾力量強(qiáng)的產(chǎn)品

在掌握系統(tǒng)的設(shè)備選型階段，考慮到各廠家PLC抗干擾性能的優(yōu)劣，選型時(shí)就需選擇有較高抗干擾力量的產(chǎn)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(shù)、隔離性能好的PLC。其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠家給出的抗干擾指標(biāo)，如共模抑制比、差模抑制比、耐壓力量、允許在多大電場(chǎng)強(qiáng)度和多高頻率的磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中工作等。另外最好的方法是考察該型號(hào)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(wǎng)干擾

在PLC掌握系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入PLC掌握系統(tǒng)主要通過(guò)PLC系統(tǒng)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(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入。PLC系統(tǒng)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(yīng)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(shù)）的產(chǎn)品，以削減對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾。

此外，PLC電源要與整個(gè)供電系統(tǒng)的動(dòng)力電源分開，一般在進(jìn)入PLC系統(tǒng)時(shí)加屏蔽隔離變壓器。屏蔽隔離變壓器的次級(jí)側(cè)至PLC系統(tǒng)間必需采納不小于2mm2的雙絞線。屏蔽體一般位于一、二次側(cè)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(yán)峻時(shí)，可在隔離變壓器前面加濾波器來(lái)消退電源的大部分諧波。必要時(shí)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(hào)。濾波器應(yīng)放在隔離變壓器之前，即先濾波后隔離。分別供電系統(tǒng)，將掌握器、I/O通道和其他設(shè)備的供電采納各自的隔離變壓器分別開來(lái)，也有助于抗電網(wǎng)干擾。（3）電纜的選擇和敷設(shè)

PLC掌握系統(tǒng)的線路中有電源線、輸入/輸出線、動(dòng)力線和接地線，布線不當(dāng)則會(huì)造成電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)等干擾，因此必需根據(jù)特定的要求布線。動(dòng)力電纜為高壓大電流線路，PLC系統(tǒng)的配線靠近時(shí)會(huì)受到干擾，因此布線時(shí)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(guān)量信號(hào)線與模擬量信號(hào)線也應(yīng)分開布線，而且后者應(yīng)采納屏蔽線，并且將屏蔽層接地。數(shù)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(shí)應(yīng)將掌握電纜、動(dòng)力電纜、輸入/輸出線分開且單獨(dú)布線，相互之間一般應(yīng)保持30cm以上的間距。當(dāng)實(shí)際狀況只能允許在同一線槽布線時(shí)，就用金屬板把掌握電纜、動(dòng)力電纜、輸入/輸出線間隔開來(lái)并屏蔽，金屬板還必需接地。隔離變壓器二次側(cè)的電源線要采納2mm2以上的銅芯聚氯乙烯絕緣雙絞軟線。經(jīng)過(guò)這樣處理的電源線、輸入/輸出線與動(dòng)力線就可以削減外界磁場(chǎng)及相互之間的干擾。

（4）安裝中的抗干擾措施

PLC掌握系統(tǒng)所處的環(huán)境對(duì)其自身的抗干擾也有肯定的關(guān)系，因此在安裝時(shí)應(yīng)留意以下幾個(gè)方面。

①濾波器、隔離穩(wěn)壓器應(yīng)設(shè)在PLC掌握柜的電源進(jìn)線口處，不讓干擾進(jìn)入掌握柜內(nèi)，或盡量縮短進(jìn)線距離。

②PLC掌握柜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離高壓柜、大動(dòng)力設(shè)備和高頻設(shè)備。

③PLC要盡可能遠(yuǎn)離繼電器之類的電磁線圈和簡(jiǎn)單產(chǎn)生電弧的觸點(diǎn)。

④PLC要遠(yuǎn)離發(fā)熱的電氣設(shè)備或其他熱源，并放在通風(fēng)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(jìn)入，造成機(jī)器損壞。

（5）正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)

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

系統(tǒng)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(tǒng)屬于高速低電平掌握裝置，應(yīng)采納直接接地方式。由于信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號(hào)交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC掌握系統(tǒng)的接地線一般采納一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地的方式，最好單獨(dú)接地，也可以與其他設(shè)備公共接地，但嚴(yán)禁與其他設(shè)備串連接地。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線引向接地極。假如裝置間距較大，應(yīng)采納串聯(lián)一點(diǎn)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(diǎn)，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(dǎo)線，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻應(yīng)小于2Ω，接地極最好埋在距建筑物10～15m遠(yuǎn)處，而且PLC系統(tǒng)的接地點(diǎn)必需與強(qiáng)電設(shè)備的接地點(diǎn)相距10m以上。

信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地，不接地時(shí)應(yīng)在PLC側(cè)接地。信號(hào)線中間有接頭時(shí)，屏蔽層應(yīng)堅(jiān)固連接并進(jìn)行絕緣處理，肯定要避開多點(diǎn)接地。多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞總屏電纜連接時(shí)，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理。連接接地線時(shí)，應(yīng)留意以下幾點(diǎn)：

①PLC掌握系統(tǒng)單獨(dú)接地。

②PLC系統(tǒng)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(tǒng)的共模干擾。

③PLC系統(tǒng)的接地線至少用20mm2的專用接地線，以防止感應(yīng)電的產(chǎn)生。

④輸入/輸出信號(hào)電纜的屏蔽線應(yīng)與接地端子連接，且接地良好。

（6）外圍設(shè)備干擾的抑制

①PLC輸入/輸出端子的愛護(hù)

當(dāng)輸入信號(hào)源為感性元件，輸出驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為感性元件時(shí)，對(duì)于直流電路應(yīng)在其兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。對(duì)于溝通電路，應(yīng)在其兩端并聯(lián)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(shí)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)或浪涌電流對(duì)PLC輸入/輸出端和內(nèi)部電源的沖擊，若PLC的驅(qū)動(dòng)元件主要是電磁閥和溝通接觸器線圈，應(yīng)在PLC輸出端與驅(qū)動(dòng)元件之間增加光電隔離的過(guò)零型固態(tài)繼電器。

②輸入/輸出信號(hào)的防錯(cuò)

當(dāng)輸出元件為雙向晶閘管或晶體管而外部負(fù)載又很小時(shí)，由于這類輸出元件在關(guān)斷時(shí)有較大的漏電流，使輸入電路和外部負(fù)載電路不易關(guān)斷，導(dǎo)致輸入/輸出信號(hào)的錯(cuò)誤，為此應(yīng)在這類輸入/輸出端并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC的輸入電流和外部負(fù)載上的電流。

③漏電流

當(dāng)采納接近開關(guān)、光電開關(guān)等直流兩線式傳感器輸入信號(hào)時(shí)，若漏電流較大，應(yīng)考慮由此而產(chǎn)生的誤動(dòng)作，使PLC輸入信號(hào)不能關(guān)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(shí)，為避開漏電流等緣由引起的輸出元件關(guān)斷不了，也可以在輸出端并聯(lián)一旁路電阻。

④浪涌電壓

在PLC觸點(diǎn)（開關(guān)量）輸出的場(chǎng)合，不管PLC本身有無(wú)抗干擾措施，都應(yīng)采納RC汲取回路（溝通負(fù)載）或并接續(xù)流二級(jí)管（直流負(fù)載），以汲取感性負(fù)載產(chǎn)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(qū)動(dòng)白熾燈之類的負(fù)載時(shí)，為愛護(hù)輸出模塊，應(yīng)在PLC輸出端并接旁路電阻或與負(fù)載串聯(lián)限流電阻。

（7）電磁干擾的抑制

依據(jù)干擾模式的不同，PLC掌握系統(tǒng)的電磁干擾分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號(hào)對(duì)地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射等在信號(hào)線上感應(yīng)的電壓疊加所形成。共模電壓有時(shí)較大，特殊是采納隔離性能差的配電器供電時(shí)，變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過(guò)不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件損壞（這是PLC系統(tǒng)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(hào)兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間的感應(yīng)以及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓。這種電壓疊加在信號(hào)上，直接影響測(cè)量與掌握精度。為了保證PLC掌握系統(tǒng)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(jiǎn)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(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí)，還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的牢靠性。

由于噪聲、開關(guān)的誤動(dòng)作、模擬信號(hào)誤差等因素的影響，PLC的外部開關(guān)量和模擬量輸入信號(hào)會(huì)消失錯(cuò)誤，引起程序推斷失誤，造成事故。當(dāng)按鈕、開關(guān)作為輸入信號(hào)時(shí)，則不行避開產(chǎn)生抖動(dòng)。假如輸入信號(hào)是繼電器/接觸器觸點(diǎn)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間跳動(dòng)，引起系統(tǒng)誤動(dòng)作。在這種狀況下，可采納定時(shí)器延時(shí)來(lái)去掉抖動(dòng)，定時(shí)時(shí)間依據(jù)觸點(diǎn)抖動(dòng)狀況和系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度而定，這樣可保證觸點(diǎn)的確穩(wěn)定閉合（或斷開）后才執(zhí)行特定的任務(wù)處理。

對(duì)于模擬信號(hào)可采納多種軟件濾波方法來(lái)提高數(shù)據(jù)的牢靠性。連續(xù)采樣多次，采樣間隔依據(jù)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換時(shí)間和信號(hào)的變化頻率而定。采樣數(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(dāng)前輸入值。常用的數(shù)字濾波方法有程序推斷濾波、中值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算術(shù)平均值濾波、去極值平均濾波等。

①程序推斷濾波適用于對(duì)采樣信號(hào)因受到隨機(jī)干擾或傳感器不穩(wěn)定而引起的失真進(jìn)行濾波。設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)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(hào)差