PLC控制系統的抗干擾設計及應用

分析了影響PLC控制系統可靠生的主要因素,研究了PLC控制系統的硬件抗干擾措施的設計方法和原理,并將這些措施應用在軸承專用磨床SMZ203D的PLC控制系統的抗干擾設計中。
關鍵字：PLC控制系統 抗干擾設計劃工作 應用

1 引言

PLC（Programmable Logic Controller）是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動化控制技術和通訊技術的一種工業自動控制裝置。PLC作為新一代工業控制計算機，因其具有體積小、功能強、通用性好、實用性強、硬件配套齊全、程序設計簡單易學及維護方便等優點而被廣泛應用于工業領域。由于PLC是專門為工業生產環境而設計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工業環境使用。但如果環境過于惡劣，如強磁場、強腐蝕、高粉塵、強輻射、劇烈的沖擊和震動，都不能保證PLC正常、安全地運行。因此，研究PLC控制系統的抗干擾設計具有十分重要的現實意義[1]。

2 影響PLC控制系統可靠性的主要因素

PLC控制系統的可靠性通常用平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，簡稱WIBF）來衡量。它表示系統從發生故障進行修理到下一次發生故障的時間間隔的平均值。PLC裝置本身是非常可靠的，而PLC控制系統的干擾主要是外部環節和硬件配置不當引起的。一是電源側的工頻干擾，它由電源進入PLC裝置，造成系統工作不正常;二是線路傳輸中的靜電或磁場耦合干擾，以及周圍高頻電源的輻射干擾，靜電耦合是通過信號線與電源線之間的寄生電容，磁場耦合發生在長布線中線間的寄生互感上，高頻輻射是通過高頻交變磁場與信號間的寄生電容;三是PLC控制系統的接地系統不當引起的干擾。因此，在實際設計中往往從以下幾個方面考慮[1]：1）對程序和數據的保護;2）對工業生產環境的適應性;3）故障安全原則，系統間獨立性原則與冗余及容錯結構;4）運行時的實時性和連續性。

3 PLC控制系統的抗干擾設計

根據影響PLC控制系統可靠性的主要因素，在PLC控制系統開發設計時，應該從系統軟件和硬件兩方面考慮，以提高PLC控制制系統的可靠性和抗干擾能力。而在生產實際應用中，主要考慮控制系統的硬件抗干擾設計。

3MZ203D機床是軸承套圈內圓磨床，根據生產實際要求和多年的實踐經驗，對該3MZ203D內圓磨床的PLC控制系統硬件抗干擾設計及應用采取了相關措施，下面對此進行介紹。

3.1 抑制電源系統引入的干擾

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

3．2安裝與布線額的抗干擾設計應用

在大地電位變化較大的場所，PLC系統受到共模干擾，而且很容易轉變為串模干擾，因此控制系統的接地系統設計就尤為重要。控制系統的接地方式采用獨立接地方，如圖2所示。接地時應注意：接地線應盡量短且截面積應大于2mm ； 接地點盡量靠近控制器；接地線應避開強電回路和主回路的電線，無法避開時應垂直交叉；接地電阻應小于2Ω。

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

3.3 輸入信號的抗干擾設計與應用

輸入設備的輸入信號的線間干擾(差模干擾)用輸入模塊的濾波器可以使其衰減，然而，輸入信號線與地問的共模十擾在控制器內部回路產生的電位差仍會引起控制器誤動作。因此， 為了抗共模 F擾，控制器要良好接地。

當輸入信號源為感性元件，輸出負載的負載特性為感性元件時，為了防止反沖感應電勢或浪涌電流損壞模塊，對于交流輸入信號在負載倆端并聯電容C和電阻R， 對于直流輸入信號并聯續流二極管VD，如圖3所示。在圖3 (a) 中R、C參數一般選擇為120Ω+0．1μF(當負荷容量<10V·A時)或47Ω+0.471μF (當負荷容量>10V·A時)。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。對于感應電壓的干擾，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輸出信號的抗干擾設計

交流感性負載場合下，在負載兩端并接浪涌吸收器；直流負載場合下，在負載兩端并接續流二極管VD， 以抑制輸出信號的干擾， 如圖4所示。在圖4 (a)中，RC越靠近負載，抗干擾效果越好。當PLC的輸出驅動的負載為電磁閥這類元件時，可在輸出端和電磁閥之間加固態繼電器(SSR)進行隔離。另外，從抗干擾的角度出發，適當選擇I／0模塊也是很重要的。在干擾多的場合，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地干擾。

3．5輸入輸出信號漏電流地處理

當輸入信號源為晶體管，或是光電開關輸出類型時，當輸出元件為雙向，或是晶體管輸出而外部負載又很小時會因為這類輸出元件在關斷時有較大地漏電流，使輸入電路和外部負載電路不能關斷，導致輸入與輸出信號地錯誤。為此，在這類輸入、輸出端要并聯旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負載上的電流，如圖5所示。

圖5中旁路電阻可按以下方式計算：

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

3.6 輸入輸出信號采用光電隔離措施的抗干擾設計

利用光電耦合器的開關特性實現輸入和輸出信號的完全隔離，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載和數字信號源隔離開來， 也就是把“模擬地” 和“數字地” 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，被測信號可通過光電耦合器獲得通路，而共模干擾信號由于不成回路而得到有效抑制， 因此，在PLC控制系統現場I／O信號經光電耦合器隔離，與PLC系統本體分開，切斷了干擾噪聲的通道，解決了輸入輸出回路的抗干擾問題， 是系統調試方便，運行可靠。

在3MZ203D專用磨床的PLC控制系統中，采用了以上幾種方式的抗干擾措施，取得了良好的系統抗干擾能力，該系統經過了一段時間的使用，未出現由于干擾而引起的誤動作，整個PLC系統的故障率也下降了，系統運行正常。

4 結束語

要提高PLC控制系統的抗干擾的措施還有很多，本文僅探討和應用了常用的硬件抗干擾和保護措施。在實際應用當中，又充分考慮對PLC的各種不利因素，在硬件設計中采取適當的保護措施，就完全可以使控制系統安全可靠地運行。