【導讀】PLC是自動化應用中常見的使用類型,通常應用于強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。PLC是工業(yè)專用的控制裝置,在設計和制造過程中采用抗干擾措施,具有極強的穩(wěn)定性和可靠性。要想提高系統(tǒng)的可靠性,必須提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
自動化系統(tǒng)中所使用的各種類型PLC,有的是集中安裝在控制室,有的是分散安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的各單機設備上,雖然它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環(huán)境中,但PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設計的控制裝置,在設計和制造過程中采用了多層次抗干擾和精選元件措施,故具有較強的適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力、運行穩(wěn)定性和較高的可靠性,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,但是由于它直接和現(xiàn)場的I/O設備相連,外來干擾很容易通過電源線或I/O傳輸線侵入,從而引起控制系統(tǒng)的誤動作。
PLC受到的干擾可分為外部干擾和內部干擾。在實際的生產(chǎn)環(huán)境下,外部干擾是隨機的,與系統(tǒng)結構無關,且干擾源是無法消除的,只能針對具體情況加以限制;內部干擾與系統(tǒng)結構有關,主要通過系統(tǒng)內交流主電路,模擬量輸入信號等引起,可合理設計系統(tǒng)線路來削弱和抑制內部干擾和防止外部干擾。要提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性,就要從多方面提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
分析硬件電路,提出硬件抗干擾措施
1、PLC控制系統(tǒng)的安裝和使用環(huán)境
PLC是專為工業(yè)控制設計的,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。但是在PLC控制系統(tǒng)中,如果環(huán)境過于惡劣,或安裝使用不當,會降低系統(tǒng)的可靠性。
PLC使用環(huán)境溫度通常在0℃~55℃范圍內,應避免太陽光直接照射,安裝位置應遠離發(fā)熱量大的器件,同時應保證有足夠大的散熱空間和通風條件。環(huán)境濕度一般應小于85%,以保證PLC有良好的絕緣。在含有腐蝕性氣體、濃霧或粉塵的場合,需將PLC封閉安裝。此外,如果PLC安裝位置有強烈的振動源,系統(tǒng)的可靠性也會降低,所以應采取相應的減振措施。
2、PLC的電源與接地
PLC本身的抗干擾能力一般都很強。通常,只能將PLC的電源與系統(tǒng)的動力設備電源分開配線,對于電源線來的干擾,一般都有足夠強的抑制能力。但是,如果遇上特殊情況,電源干擾特別嚴重,可加接一個帶屏蔽層的隔離變壓器以減少設備與地之間的干擾,提高系統(tǒng)的可靠性。如果一個系統(tǒng)中含有擴展單元,則其電源必須與基本單元共用一個開關控制,也就是說,它們的上電與斷電必須同時進行。良好的接地是保證PLC安全可靠運行的重要條件。
接地的目的通常有兩個,其一為了安全,其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗干擾的重要措施之一。接地在消除干擾上起很大的作用。這里的接地是指決定系統(tǒng)電位的地,而不是信號系統(tǒng)歸路的接地。在PLC控制系統(tǒng)中有許多懸浮的金屬架,它們是懼空中干擾的空中線,需要有決定電位的地線。交流地是PLC控制系統(tǒng)供電所必需的,它通過變壓器中心點構成供電兩條回路之一。這條回路上的電流、各種諧波電流等是個嚴重的干擾源。因此交流地線、直流地線、模擬地和數(shù)字地等必須分開。數(shù)字地和模擬地的共點地最好置懸浮方式。地線各點之間的電位差盡可能小,盡量加粗地線,有條件可采用環(huán)形地線。系統(tǒng)地端子(LG)是抗干擾的中性端子,通常不需要接地,可是,當電磁干擾比較嚴重時,這個端子需與接大地的端子(GR)連接。
3、PLC的輸入、輸出設備
輸入電路是PLC接受開關量、模擬量等輸入信號的端口,其元器件質量的優(yōu)劣、接線方式及是否牢靠也是影響控制系統(tǒng)可靠性的重要因素。以開關量輸入為例,按鈕、行程開關的觸點接觸要保持在良好狀態(tài),接線要牢固可靠。機械限位開關是容易產(chǎn)生故障的元件,設計時,應盡量選用可靠性高的接近開關代替機械限位開關。此外,按鈕觸點的選擇也影響到系統(tǒng)的可靠性。在設計電路時,應盡量選用可靠性高的元器件,對于模擬量輸入信號來說,常用的有4~20mA、0~20mA直流電流信號;0~5V、0~10V直流電壓信號,電源為直流24V.
對于開關量輸出來說,PLC的輸出有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出三種形式,具體選擇哪種形式的輸出應根據(jù)負載要求來決定,選擇不當會使系統(tǒng)可靠性降低,嚴重時導致系統(tǒng)不能正常工作。如晶閘管輸出只能用于交流負載,晶體管輸出只能用于直流負載。此外,PLC的輸出端子帶負載能力是有限的,如果超過了規(guī)定的最大限值,必須外接繼電器或接觸器,才能正常工作。
外接繼電器、接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件的質量,是影響系統(tǒng)可靠性的重要因素。常見的故障有線圈短路、機械故障造成觸點不動或接觸不良。這一方面可以通過選用高質量的元器件來提高可靠性,另一方面,在對系統(tǒng)可靠性及智能化要求較高的場合,可以根據(jù)電路中電流異常的情況對輸出單元的一些重點部位進行診斷,當檢測到異常信號時,系統(tǒng)按程序自動轉入故障處理,從而提高系統(tǒng)工作的可靠性。若PLC輸出端子接有感性元件,則應采取相應的保護措施,以保護PLC的輸出觸點。
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、輸出應分別使用各自的電纜;對于集成電路或晶體管設備的輸入、輸出信號線、必須使用屏蔽電纜,屏蔽電纜在輸入、輸出側懸空,而在控制側接地
軟件抗干擾措施
硬件抗干擾措施的目的是盡可能地切斷干擾進入控制系統(tǒng),但由于干擾存在的隨機性,尤其是在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下,硬件抗干擾措施并不能將各種干擾完全拒之門外,這時,可以發(fā)揮軟件的靈活性與硬件措施相結合來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
1、利用"看門狗"方法對系統(tǒng)的運動狀態(tài)進行監(jiān)控
PLC內部具有豐富的軟元件,如定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等,利用它們來設計一些程序,可以屏蔽輸入元件的誤信號,防止輸出元件的誤動作。在設計應用程序時,可以利用"看門狗"方法實現(xiàn)對系統(tǒng)各組成部分運行狀態(tài)的監(jiān)控。如用PLC控制某一運動部件時,編程時可定義一個定時器作"看門狗"用,對運動部件的工作狀態(tài)進行監(jiān)視。定時器的設定值,為運動部件所需要的最大可能時間。在發(fā)出該部件的動作指令時,同時啟動"看門狗"定時器。若運動部件在規(guī)定時間內達到指定位置,發(fā)出一個動作完成信號,使定時器清零,說明監(jiān)控對象工作正常;否則,說明監(jiān)控對象工作不正常,發(fā)出報警或停止工作信號。
2、消抖
在振動環(huán)境中,行程開關或按鈕常常會因為抖動而發(fā)出誤信號,一般的抖動時間都比較短,針對抖動時間短的特點,可用PLC內部計時器經(jīng)過一定時間的延時,得到消除抖動后的可靠有效信號,從而達到抗干擾的目的。
3、用軟件數(shù)字濾波的方法提高輸入信號的信噪比
為了提高輸入信號的信噪比,常采用軟件數(shù)字濾波來提高有用信號真實性。對于有大幅度隨機干擾的系統(tǒng),采用程序限幅法,即連續(xù)采樣五次,若某一次采樣值遠遠大于其它幾次采樣的幅值,那么就舍去之。對于流量、壓力、液面、位移等參數(shù),往往會在一定范圍內頻繁波動,則采用算術平均法。即用n次采樣的平均值來代替當前值。一般認為:流量n= 12,壓力n=4最合適。對于緩慢變化信號如溫度參數(shù),可連續(xù)三次采樣,選取居中的采樣值作為有效信號。對于具有積分器A/D轉換來說,采樣時間應取工頻周期(20ms)的整數(shù)倍。實踐證明其抑制工頻干擾能力超過單純積分器的效果。
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