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摘 要:分析了影响PLC控制系统稳定性的主要干扰源、成因。从硬件电路设计和软件程序编制入手,研究探讨提高PLC控制系统抗干扰能力的方法和措施。
关键词:PLC 控制系统 抗干扰 接地技术
1、概述
PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备。尽管其制造厂采取了一些措施,使得它的可靠性较高,但还有许多外部因素对它产生干扰,造成程序误变或运算错误。由于PLC的应用场合越来越广,应用环境越来越复杂,所受到的干扰也越来越多。因此,研究PLC控制系统干扰信号的来源、成因及抑制措施,对于提高PLC控制系统的抗干扰能力和可靠性具有重要作用。
2、干扰源及一般分类
影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样,大都产生在电流或电压剧烈变化的部位,这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源,即干扰源。
干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。按噪声产生的原因不同,分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;按噪声的波形、性质不同,分为持续噪声、偶发噪声等;按噪声干扰模式不同,分为共模干扰和差模干扰。其中:共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差,主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压,主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压,这种干扰叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。
3、PLC系统中干扰的主要来源及措施
A、供电电源
由于PLC本身抗干扰的能力很强,通常只要将PLC电源与系统动力设备分开配线,对于从电源来的干扰,具有足够强的抑制能力。但是,如果遇到特殊情况,电源干扰特别严重,可采用带屏蔽层的隔离变压器供电,甚至加接线路滤波器,以抑制从交直流电源侵入的差模和共模瞬变干扰,还可抑制PLC内部开关电源向外辐射噪声。在有较强干扰源的环境中使用PLC,或对PLC工作可靠性要求特别高时,应将屏蔽层和PLC浮动的端子接地。
B、接地
在PLC控制系统中,具有多种形式的“地”,主要有:
(1)信号地:是输入端信号元件――传感器的地。
(2)交流地:交流供电电源的N线,通常它是产生噪声的主要地方。
(3)屏蔽地:一般为防止静电、磁场感应而设置的外壳或金属丝网,通过专门的铜导线将其与地壳连接。
(4)保护地:一般将机器设备外壳或设备内独立器件的外壳接地,用以保护人身安全和防护设备漏电。
为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰,应对PLC系统进行良好的接地。一般情况下,接地方式与信号频率有关,当频率低于1MHz时,可用一点接地;高于10MHz时,采用多点接地;在1～10MHz间采用哪种接地视实际情况而定。因此,PLC组成的控制系统常用一点接地,接地线截面积不能小于2.5mm2,接地电阻不能大于100Ω,接地线最好是专用地线。这种若达不到要求,也可采用公共接地方式,禁止采用与其它设备串联接地的方式。
交流电源在传输时,在相当一段间隔的电源导线上,会有几mV、甚至几V的电压,而低电平信号传输要求线路电平为零。为防止交流电对低电平信号的干扰,在直流信号的导线上要加隔离屏蔽;不允许信号源与交流电共用一根地线;各个接地点通过接地铜牌连接到一起。
屏蔽地、保护地不能与电源地、信号地和其它地扭在一起,只能各自独立的接到接地铜牌上。为减少信号的电容耦合噪声,可采用多种屏蔽措施。对于电场屏蔽的分布电容问题,通过将屏蔽地接入大地可解决。对于纯防磁的部位,例如强磁铁、变压器、大电机的磁场耦合,可采用高导磁材料作外罩,将外罩接入大地来屏蔽。
C、输入、输出配线
(1)PLC电源线、输入输出信号线、交流线、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线,且后者应采用屏蔽线,并且将屏蔽层接地。数字传输线也要用屏蔽线,并且要将屏蔽层接地。由于双绞线中电流方向相反,大小相等,可将感应电流引起的噪声互相抵消,故信号线多采用双绞线或屏蔽线。
(2)输入、输出信号的防错。当输入信号源为晶体管,或是光电开关输出类型时,在关断时仍有较大的漏电流。而PLC的输入继电器灵敏度较高,如漏电流干扰超过一定值,就形成了误信号。同样,当输出元件为VTH(双向晶闸管)或是晶体管输出,而外部负载又很小时,会因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流,引起微小电流负载的误动,导致输入与输出信号的错误,给设备和人身造成不良后果。
解决办法是在这类输入、输出端并联旁路电阻,以减小PLC输入电流和外部负载上的电流,电路接线如图3-1所示。
图中,旁路电阻按下式求出:
式中,Il-输入信号源或输出晶闸管最大漏电流;
Um-输入信号电压或外部负载电压最大值;
IN-输入点或外部负载的额定电流。
还有一种方法是在PLC输入端加RC滤波环节,利用RC的延迟作用来抑制窜入脉冲所引起的干扰。在晶闸管输出的负载两端并联RC浪涌电流抑制器,减小漏电流的干扰。
4、从软件设计方面提高系统抗干扰能力
PLC内部具有丰富的软元件,如定时器、计数器、辅助继电器等,利用它们设计一些程序,可以屏蔽输入元件的误信号,防止输出元件的误动作,提高系统的抗干扰能力。
A、利用PLC内部定时器,屏蔽输入端可能出现的误信号。在PLC组成的自动控制系统中,每一次循环,各工步的动作时间通常是固定不变的,行程开关(或其它敏感元件,如光电开关)总是在该工步的同一时刻发出信号。根据这一特点,用两个内部定时器,限定PLC只在该开关正常发信号的时间内采样,就可屏蔽掉其它时间可能发出的误信号――干扰信号。图4-1所示某自动生产线上对输入X000采样的梯形图程序及时序图。根据计算和实测,正常情况下,输入X000总是在输出Y000启动后0.7s左右发出信号。但在实际运行时,由于现场环境恶劣,有可能使X000发出误信号,引起控制系统的错误动作。现在,将定时器T0的延迟时间设为0.5s,T1的延迟时间设为0.9s,从图可知,只有在Y000=1后0.5～0.9s的时间内采样的X000信号,才被认为是有效信号M0,其它时间内,即使X000误发信号,也会被屏蔽掉。
B、利用PLC内部计数器,消除输入元件触点“抖动”干扰。在PLC控制系统中,由于外界干扰的影响,有些输入元件在接通时,会发生触点时断时续的“抖动”现象而发出错误信号。在图4-2a中,当输入X001发生抖动时,输出Y001也会跟着抖动。消除这种干扰的方法是利用计数器经适当编程来实现。图4-2b是用计数器组成的消“抖动”程序和波形图。当“抖动”干扰使X001断开的间隔Δt＜x×0.1s(注:M8012为特殊辅助继电器,产生0.1s的时钟脉冲)时,计数器输出为“0”,输出继电器Y001保持接通,干扰对PLC正常工作不构成影响;当X001断开时间Δt≥x×0.1s,计数器C1计满x次时,C1为“1”,输出继电器Y001输出为“0”。计数器的计数次数x可在调试时根据干扰情况修改。
5、结束语
随着PLC的应用越来越广泛,它所要克服的干扰越来越多,越来越复杂。如何进一步提高PLC控制系统的抗干扰能力,多种方法和措施正在研究探索之中。通过正确设计硬件线路,选用高质量的元器件,充分利用PLC本身软元件,灵活巧妙地编程等措施,可以有效地提高系统的抗干扰能力。