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PLC抗干扰技术在工业控制系统中的应用

2020-02-11 19:46工业电子 人已围观

简介工业的发展,使其对控制系统的依赖性逐渐增加,分散性控制系统、可编程控制器PLC已经逐渐成为工业自动化领域主要的硬件设备。随着微电子技术的快速发展,控制系统集成化的程度...

  工业的发展,使其对控制系统的依赖性逐渐增加,分散性控制系统、可编程控制器PLC已经逐渐成为工业自动化领域主要的硬件设备。随着微电子技术的快速发展,控制系统集成化的程度不断增加,大规模的集成芯片所占用的单位面积越来越多,而所传递到的电流信号越来越少,导致供电电压不足。芯片对外界的噪声异常敏感,导致系统自身的抗干扰能力受损[1,2]。以下研究解决干扰问题的一些方法。
  
  1 PLC的结构和控制原理
  
  继电器控制系统分为输入、输出及逻辑三个组成部分。PLC与继电器控制系统极为相似,也分为这三大模块,如图1所示。
图 1 PLC 输入输出连接
  图 1 PLC 输入输出连接
 
  输入部分用于收集保存数据信息,逻辑部分用于处理得到的信息,输出部分用于有哪些设备需要进行处理。PLC硬件结构框架如图2所示。
图 2 PLC 硬件结构
  图 2 PLC 硬件结构
 
  CPU作为PLC的核心,在系统的控制下,对电源、内部电路的工作状态进行诊断;存储器,是PLC用于运算数据的一个重要单元,PLC的存储器有ROM和RAM两种,为了能够让这些用户程序可以在电源之外仍然保持运行,需要为其配置备用电池;输入/输出接口,是连接PLC与工业控制现场信号的重要组成部分,输入接口用于接收参数,输出接口用于输出控制信息。PLC在工业生产中,对输入输出接口有两个非常重要的要求,抗干扰能力及是否能够满足工业各类信号的匹配要求。
  
  PLC与PC机的工作方式不同,PLC专门用于工业控制,采用循环扫描的方式进行工作。PLC系统在正常情况下,需要完成的任务有调度、监控、通信。PLC的系统程序按照一定的顺序执行,其扫描的工作流程如图3所示。
图 3 PLC 循环工作方式
  图 3 PLC 循环工作方式
 
  循环扫描是PLC的一个最大的特点,与传统的继电器控制系统存在本质的区别,PLC的工作方式为串行,在一定程度上避免了继电器控制系统中存在的触点竞争问题。当扫描时,在程序执行阶段会发生一定变化,到下一阶段才可以改变。
  
  2 干扰类型
  
  2.1空间辐射干扰
  
  空间辐射电磁场产生的原因为:当电力设备处于静止状态时,会产生一些电磁波。雷电、广播、雷达等设备所产生的干扰为辐射干扰,其分布范围广,在PLC系统中,一旦受到辐射干扰,会对系统造成十分严重的危害。辐射干扰与现场设备的布置情况有很大关联,需要设置屏蔽电缆,以起到对PLC进行保护的作用。
  
  2.2电源干扰
  
  电源波动会对PLC产生一定的影响。因为电源引入的干扰所造成的故障情况较多,解决电源干扰的方法就是更换电源,选择隔离性能高的电源,可以解决电源干扰所带来的危害。PLC系统可以提供正常的电源,通过电网对PLC系统进行供电。由于电网的覆盖面积较大,因此所受到的空间电磁干扰范围也较大,因此所受到的空间电磁干扰范围也较广,尤其是对电网的内部变化,通过输电线路进行传播。PLC电源采用独有的隔离电源方式,避免不了会存在隔离无法避免的情况。
  
  2.3信号传输线干扰
  
  各类传输线除了传输有效的信息,还会受到外界信号的侵入,通过变送器侵入的电网干扰不容易被发现,而通过信号线侵入的干扰,对内部系统造成的危害较为严重。通过信号线引入的干扰,会使I/O模块造成工作异常,从而无法达到测量的精度,严重时甚至会造成设备损坏。如果系统的隔离性较差会造成信号的互相干扰,引起电流交叉,从而造成系统死机。
  
  2.4数字电路干扰
  
  数字集成电路所引起的直流电流为毫安级,当电路处于高速运行状态时,会引起极大的干扰。如TTL门电路在疏通的状态下,从直流电源中所引入5mA,在5ns的时间内电流发生了变化,当门电路发生改变时,配电线上所产生的噪声电压降低,虽然这种供电电压较低,但是所造成的干扰噪音十分严重。因此,在处理数字电路时,如果脉冲的上升时间确定,可以采用公式求出频率fmax=1/2πt。
  
  3 抗干扰措施
  
  3.1选择优良电源,抑制电网干扰
  
  在PLC控制系统中,电源是整个系统的心脏,出现电网干扰的原因是因为PLC系统的供电电源不够严密,造成电网干扰的侵入,变送器的供电电源与PLC系统相互连接,对于PLC电源而言,需要采用隔离性较好的电源,避免被外界干扰,而变送器的供电电源机则是仪表供电电源,虽然在一定程度上采取了隔离措施,但是隔离变压器的分布参数较大,干扰能力抑制较差,通过电源耦合会造成共模干扰情况,对于共用信号仪表供电,可以选择分布电容小的配电器,以减少干扰。
  
  3.2正确进行电缆敷设
  
  要想让变频装置减少辐射电磁干扰,可以采用屏蔽电力电缆以减少电磁干扰,不同类型的信号需要采用不同的电缆进行传输。信号电缆在进行传输时,需要根据传输信号的不同进行传输,严禁使用同一类型的电缆进行敷设,这样可以避免信号线与电缆发生冲突,在输出回路中,熔断器可以保护系统元件不受破坏,输出端子不应该超过PLC的设定值,同样负载电流需要低于设定的值,如图4所示。处于电感性负载断电会产生一定的电动感,当电流正常运行时会产生电弧,造成线路烧结,可以在电路上安装一个二极管,如图5所示。
图 4 交流输入信号的抗干扰
  图 4 交流输入信号的抗干扰

图 5 直流输入信号的抗干扰
图 5 直流输入信号的抗干扰
 
  3.3PLC控制系统电源的抗干扰措施
  
  在PLC控制系统中,电源极为重要,在控制系统中,电源包括PLC电源、触屏电源,电网的干扰主要通过PLC系统的供电电源接入,因此在进行设计时,除了选择隔离性能较好的PLC电源之外,还需要采取一系列的抗干扰措施。在设计PLC控制系统时,需要根据系统的要求,接入电网电源,选择隔离屏蔽变压器时,对电网电压进行屏蔽侯哦,比实际的大2倍左右。同时,对变压器的屏蔽层接地有一定要求,采用双绞线可以减少电源之间的干扰。另外,还可以增加一个稳压滤波器,从而增加PLC系统可靠性。
  
  3.4输入输出信号的抗干扰措施
  
  为了方式信号受到干扰,可以在硬件上设置绝缘模块,或者是PLC电源,输入信号线、输出信号线应尽量分开设置,采用屏蔽线进行设置可以避免产生较多的干扰。开关量信号线尽量采用双绞线进行敷设,可以相对应的将感应电源引起的噪音降低。输入信号线之间存在一定的差模干扰,可以采用输入模块滤波减少干扰,在输入端,为了防止电路信号发生变化,可以采用容差设计技术。干扰较强的场所,需要安装中间继电器进行隔离,防止电磁干扰引入PLC中引起短路。
  
  4 结语
  
  PLC控制系统的信号干扰是一个非常复杂的问题,在抗干扰设计的过程中,需要综合考虑各种因素,对当前所处的环境进行强制干扰。同时,对于一些特殊类型的情况,需要采取必要的措施,针对干扰源的产生,采取有针对性的方法进行隔离,以保证PLC控制系统的正常稳定运行。

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