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1 前言 工業的高速發展對控制系統的依賴性越來越強。分散型控制系統（DCS）、可編程控制器（PLC）、現場總線控制系統（FCS）、工業控制機（IPC）以及各種測量控制儀表已是構成工業自動化的主要硬件設施。隨著微電子技術的發展和控制系統集成化程度的提高，大規模集成芯片內單位面積的元件數越來越多，所傳遞的信號電流也越來越小，系統的供電電壓也越來越低，現已降到5V、3V乃至1.8V。因此，芯片對外界的噪聲也越趨敏感，所以顯示出來的抗干擾能力也就很低。再則，相對于其它的電子信息系統，控制系統不但系統復雜，設備多，輸入/輸出（I/O）端口多，特別是外部的連接電纜又多又長，這類似于拾取噪聲的高效天線，給噪聲的耦合提供了充分的條件，使得各種噪聲容易侵入控制系統。 PLC具有編程簡單、通用性好、功能強、易于擴展等優點，特別是采用了高集成度的微電子器件，具有很高的可靠性，能較強的適應惡劣的工業環境，已被廣泛應用于工業控制領域中。現在工業生產線控制系統中所使用的PLC，主要是集中安裝在主控室，它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中，很容易被周圍干擾源干擾而引起控制系統產生誤動作，影響系統的正常工作,因此必須重視系統的抗干擾設計。為防止干擾,可以采用硬件和軟件相結合的抗干擾方法。 2 PLC系統的基本組成結構 可編程控制器硬件系統由PLC、功能I/O單元和外部設備組成,如圖1所示。其中PLC由CPU、存儲器、基本I/O模塊、I/O擴展接口、外設接口和電源等部分組成，各部分之間由內部系統總線連接。 圖1 PLC系統的基本組成結構 3 影響PLC控制系統穩定的干擾類型 3.1 空間輻射干擾 空間的輻射電磁場（EMI）主要由電力網絡、電氣設備、雷電、高頻感應加熱設備、大型整流設備等產生，通常稱為輻射干擾。電氣設備、電子設備的高密度使用，使空間電磁波污染越來越嚴重，這些干擾源產生的輻射波頻率范圍廣，且無規律。空間輻射干擾以電磁感應的方式通過檢測系統的殼體、導線等形成接收電路，造成對系統的干擾。若此時PLC置于其輻射場內，其信號、數據線和電源線即可充當天線接受輻射干擾。此種干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場的大小，特別是與頻率有關，一般通過設置屏蔽電纜和PLC 局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。 3.2 電源的干擾 PLC系統一般由工業用電網絡供電。工業系統中的某些大設備的啟動、停機等，可能引起電源過壓、欠壓、浪涌、下陷及產生尖峰干擾，這些電壓噪聲均會通過電源內阻耦合到PLC系統的電路，給系統造成極大的危害。 3.3 來自信號傳輸線上的干擾 除了傳輸有效的信息外，PLC系統連接的各類信號傳輸線總會有外部干擾信號的侵入。由信號線引入的干擾會引起I／O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。若系統隔離性能較差，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統總線回流，造成邏輯數據變化、誤動作甚至死機。 3.4 數字電路引起的干擾 數字集成電路引出的直流電流雖然只有m，但是當電路處在高速開關時，就會形成較大的干擾。例如，TTL門電路在導通狀態下從直流電源引出5mA左右的電流，截至狀態下則為lmA，在5ns的時間內其電流變化為4mA，如果在配電線上具有0.5μH的電感，當這個門電路改變狀態時，配電線上產生的噪聲電壓為： U=L x di/dt=0.5x 10-6 x 4x10-3 /5x10-9=0.4V 如果把這個數值乘上典型系統的大量門的數值，雖然這種門電路的供電電壓僅為5V，但所引起的干擾噪聲將是非常嚴重的。 在處理脈沖數字電路時，對脈沖中包含的頻譜應有一個粗略概念，如果脈沖上升時間t已知，可用近似公式求出其等效頻率：fmax=1/2πt1.4 PLC系統內部產生的干擾。 4 PLC系統中的抗干擾設計 4.1接地抗干擾設計 接地在消除干擾上起很大的作用，良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件之一，可以避免偶然發生的電壓沖擊危害。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應給PLC接以專用地線，接地線與動力設備（如電動機）的接地點應分開，若達不到此要求，則可與其它設備公共接地，嚴禁與其它設備串聯接地。接地電阻要小于5Ω，接地線要粗，面積要大于2平方毫米，而且接地點靠近PLC裝置，其間的距離要小于50米，接地線應避開強電回路，若無法避開時，應垂直相交，縮短平行走線的長度。 4.2 電源部分的抗干擾設計 電源波動造成的電壓畸變或毛刺，將對PLC及I／O模塊產生不良影響。據統計分析，PLC系統的干擾中有70％是從電源耦合進來的。為了抑制干擾， PLC供電系統可采用如下方式，控制器和I/O系統分別由各自的隔離變壓器供電，并與主電路電源分開。當某一部分電源出了故障時，而不會影響其他部分，如輸入、輸出供電中斷時，控制器仍能繼續供電，提高了系統的可靠性。 4.3 輸入輸出信號的抗干擾設計 為了防止輸入、輸出信號受到干擾，應選用絕緣型I/O模塊。 4.3.1 輸入信號的抗干擾設計 輸入信號的輸入線之間的差模干擾可以利用輸入模塊濾波來減小干擾，而輸入線與大地間的共模干擾可通過控制器的接地來抑制。在輸入端有感性負載時，為了防止電路信號突變而產生感應電勢的影響，可采用硬件的可靠性容錯和容差設計技術，對于交流輸入信號，可在負載兩端并聯電容C和電阻R，對于直流輸入信號，可并接續流二極管D。一般負載容量在10VA以下時，應選C為0.1μF，R為120 ，當負載容量在10VA以上時，應選C為0.47μF，R為47 。具體電路如圖2所示：
圖2 輸入信號的抗干擾設計 4.3.2 輸出電路的抗干擾設計 對于PLC系統為開關量輸出，可有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出三種形式。具體選擇要根據負載要求來決定。若負載超過了PLC的輸出能力，應外接繼電器或接觸器，才可正常工作。 PLC輸出端子若接有感性負載，輸出信號由OFF變為ON或從ON變為OFF時都會有某些電量的突變而可能產生干擾。在設計時應采取相應的保護措施，以保護PLC的輸出觸點，如圖3所示。對于直流負載，通常是在線圈兩端并聯續流二極管D，二極管應盡可能靠近負載，二極管可為1A的管子。對于交流負載，應在線圈兩端并聯RC吸收電路，根據負載容量，電容可取0.1μF～0.47μF，電阻可取47Ω～120Ω，且RC盡可能靠近負載。 4.4 外部配線的抗干擾設計 外部配線之間存在著互感和分布電容，進行信號傳送時會產生竄擾。為了防止或減少外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出信號應分別使用各自的電纜。集成電路或晶體管設備的輸入、輸出信號線，要使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側要懸空，而在控制器側要接地。配線時在30米以下的短距離，直流和交流輸入、輸出信號線不要使用同一電纜，如果要走同一配線管時，輸入信號要使用屏蔽電纜。30米～300米距離的配線時，直流和交流輸入、輸出信號線要分別使用各自的電纜，并且輸入信號線一定要用屏蔽線。對于300米以上長距離配線時，則可用中間繼電器轉換信號，或使用遠程I/O通道。對于控制器的接地線要與電源線或動力線分開，輸入、輸出信號線要與高電壓、大電流的動力線分開配線。 4.5 軟件抗干擾設計 盡管硬件抗干擾可濾除大部分干擾信號，但因干擾信號產生的原因很復雜。且具有很大的隨機性，很難保證系統不受干擾。因此往往在硬件抗干擾措施的基礎上．采取軟件抗干擾技術加以補充，作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾方法沒計簡單、修改靈活、耗費資源少，在PLC測控系統中同樣獲得了廣泛的應用。對于PLC測控裝置，其數據輸入、輸出、存儲等系統屬于弱電系統，如果工作環境中存在干擾，就有可能使數據受干擾而破壞，從而造成數據誤差、控制狀態失靈、程序狀態和某些器件的工作狀態被改變，嚴重時會使系統程序破壞。一般采用指令重復執行和數字濾波兩種方法。
圖3 PLC輸出觸點的保護
4.5.1 指令重復執行 指令重復執行就是根據需要使作用相同的指令重復執行多次，一般適用于開關量或數字量輸入，輸出的抗干擾。在采集某些開關量或數字量時，可重復采集多次，直到連續兩次或兩次以上的采集結果相同時才視為有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，發出報警信號。在滿足實時性要求的前提 ，如果在各次采集數守信號之間插入一段延時，數據的可靠性會更高。如果在系統實時性要求不是很高的情況下，其指令重復周期盡可能長些。 4.5.2 數字濾波
5 結束語 隨著PLC應用范圍的逐漸擴大，加之系統惡劣的工作環境，它所要克服的干擾就會越來越多，盡管PLC本機的可靠度很高。但是在系統設計和安裝時，仍必須對環境作全面的分析，確定干擾的性質，采取相應的抗干擾措施，以保證系統長期穩定的工作。 |
