提高PLC抗干扰技术的研究.doc

目 录摘 要5关键词5引 言5第一章PLC的工作原理6 1.1 PLC的结构与工作原理 6 1.1.1 中央处理器6 1.1.2 存储器6 1.1.3 I/O模块7 1.1.4电源7第二章影响PLC条件及其避免措施7 2.1 保持良好的工作环境7 2.1.1环境温度7 2.1.2环境湿度7 2.1.3 环境污染7 2.1.4 远离电路和冲击源8 2.1.5 远离强电磁场和强放射源8 2.1.6 远离强干扰源82.2正确的安装和配线8 2.2.1远离高压电器和高压电源线8 2.2.2 PLC电源及输入/输出回路的配线8 2.2.3 正确敷线82.3 接地系统的干扰及避免92.4必要的保护措施9 2.4.1 短路保护9 2.4.2 联锁措施9 2.4.3 失压保护与紧急停车措施10 2.4.4 冗余系统10 2.4.5 控制系统的抗干扰措施102.5电源系统引入的干扰及其避免12 2.5.1 加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统12 2.5.2 分离供电系统132.6消除输入开关量“抖动”干扰132.7屏蔽输入端出现的误信号142.8抑制输入输出电路引入的干扰14 2.8.1 光电耦合输入电路15 2.8.2光电耦合输出电路15结语16总结17附录一：参考文献表18致谢19引言 工业控制现场的环境条件往往比较恶劣，PLC厂商在研发时已很好地完善了主机本身的抗干扰，如滤波、屏蔽、隔离等措施，就PLC本身而言，其工作可靠性是非常高的。但是PLC工作环境大多是电磁干扰强烈的工业现场，如果外围电路设计、安装使用不当，就会降低整个PLC控制系统的可靠性，严重时会使系统失控或损坏。因此用户在使用前就必须对PLC的安装环境和不利条件作出调整，综合考虑，引用合理的抗干扰措施，以保证整个控制系统的正常运行 第一章 PLC的组成及工作原理1.1PLC的结构与工作原理：可编程序控制器构成的基本控制系统简如图所示。其中可编程序控制器的基本组成为电源，中央处理器（CPU），存储器和I/O模块。下面分别对中央处理器（CPU），存储器和I/O模块作简音介绍。1.1.1中央处理器（CPU） 是可编程序控制器的神以中枢，是系统的运算，控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，可完成以下任务；（1）：接收并存储用户程序和数据。（2）：用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据。（3）：诊断电源，PLC内部电路工作状态和编程过程中语法错误。（4）：完成用户程序远规定的逻辑运算和算术运算任务。（5）：更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制，制表打印或数据通信等到功能。1.1.2存储器 存储器是一种记忆部件，它用来存储数据或数据，主要包括随机存储器（RAM）和EPROM。RAM中的和户程序可以用EPROM写入器写入到EPROM世芯片中。写入用户程序的EPROM又可通过外部接口与主机连接，然后主机按EPROM中的程序运行。EPROM是可擦写可编程的只读存储器，如果存储的内容不需要时，可以用紫外线擦出器擦除，重新写入新的程序。由于PLC的软件由系统软件和应用软件构成，因此PLC的存储器可分为系统程序存储器和用户程序存储器。把存放在应用软件的存储器称为用户程序存储器。不同类型的PLC其存储容量各不相同，但根据其工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区 在系统程序存储中，存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监视程序，管理程序，命令解释程序，功能子程序，系统诊断程序等。由制造商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。（2）系统RAM存储区 在系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（如各种逻辑线圈，数据存储器，计数器，变址寄存器等）存储区。（3）用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的应用控制程序，不同类型的PLC，其存储容量各不相同，有些PLC的存储容量可以根据用户的需要加以改变，1.1.3I/O输入/输出（I/O）模块 是CPU与现场I/O设备或其它外部设备的桥梁，PLC提供了具有操作各种操作电平与输出驱动能力的I/O模块和各种用途的功能模块供用户选用。1.1.4电源 PLC配有开关式稳压电源模块，用来对PLC的内部电路供电。第二章 影响PLC的工作条件及其避免措施 为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施，其中，硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道。2.1保持良好的工作环境2.1.1环境温度 各生产厂家对PLC的环境温度有一定的规定。通常PLC允许的环境温度约在055。要采取措施保证环境温度不要太高。 为了保证PLC的工作环境温度不过高，应该注意以下几点：（1） PLC不应该安装在阳光直接照射或离暖气很近的地方。（2） 安装PLC的控制柜内要保证良好的通风并留有足够的通风空间，CPU单元与扩展单元之间至少留有30mm的距离。如果控制柜温度太高，应该在柜内安装风扇强迫通风。（3） PLC的控制柜周围，不要安装大变压器、加热器、大功率电源等发热器要留有一定的通风散热空间。2.1.2环境湿度PLC允许的空气相对湿度一般在10%90%左右，湿度太大会影响模拟量输入/输出装置的精度。在湿度急剧变化易产生凝结水珠的地方不能安装PLC。2.1.3环境污染在有大量污染物（灰尘、铁粉等）及有害气体，尤其是有腐蚀气体的地方，不能安装PLC的控制柜，以免造成元件及印刷线路板的腐蚀。2.1.4远离振动和冲击源安装PLC的控制柜应当避免强烈的振动和冲击，尤其是连续、频繁的振动。PLC的控制柜应远离振动源，或采取措施减缓振动和冲击，一面造成连接或插件的松动。2.1.5远离强电磁场和强放射源在离强电磁场、强放射源较近的地方，在易产生强静电的地方都不能安装PLC。2.1.6远离强干扰源PLC装置要远离强干扰源，例如大功率晶闸管装置、高频焊机、大型动力设备等。2.2正确的安装和配线2.2.1远离高压电器和高压电源线PLC不能在高压电器和高压电源线附近安装，更不能与高压电器安装在同一个电器柜中。PLC与高压电器或高压电源线之间至少应有200mm的距离。2.2.2PLC的电源及输入/输出回路的配线电源是外部干扰侵入PLC的重要途径，应经过隔离变压器后再接入PLC，最好加滤波器先进行高频率波，以滤除高频干扰。PLC的电源和输入/输出回路的配线，必须使用压接端子或单股线，不能用多股绞和线直接与PLC的接线端子连接，否则容易出现火花。2.2.3正确敷线输入/输出线、PLC的电源线、动力线最好放在各自的电缆槽或电缆管中，线中心距要保持至少大于300mm的距离。输入/输出线绝对不准与动力线捆在一起敷设。 模拟量输入/输出线最好加屏蔽，且屏蔽层应一端接地。PLC的基本单元与扩展单元之间的电缆传送的信号电压低、频率高，很容易受到高频的干扰，因此不能将它同别的线敷设在一起。2.3接地系统的干扰及避免为了抑制干扰，PLC应设有独立的、良好的接地装置，如图1（a）所示。接地电阻要小于100欧姆，接地线的截面积应大于2。PLC应尽量靠近接地地点，其接地线不能超过20m。PLC不要与其他设备公用一个接地体，像图1（b）那样PLC与别的设备共用接地体的接法是不允许的。 主机面板上有一个燥声滤波的中性端子（有的PLC标LG），通常不要求接地，但是当电气干扰严重时，这个端子必须与保护接地端子（有的PLC标GR）短接在一起之后接地。 CPU单元必须接地。若使用了I/O扩展单元等，则CPU单元应与它们具有共同的接地体，而且从任一单元的保护接地端到地的电阻都不能大于100。其接线如图2所示2.4必要的保护措施 2.4.1短路保护PLC的输出线路上要装熔断器（速熔），以防负载短路，最好在每个负载的回路中都装上熔断器。2.4.2联锁措施对电动机的正反转控制，不仅在编程序时要保证正反转互锁，PLC的外部接线也要采取互锁措施。例如，图3中控制电动机正、反转的接触器KMF、KMR，要利用其常闭触点在PLC外部再进行互锁，以确保系统安全可靠地运行。在不同的电机或电器之间有连锁要求时，最好也在PLC外部进行触点联锁，这是PLC控制系统中常用的做法。2.4.3失压保护与紧急停车措施PLC外部负载的供电线路具有失压白虎措施。图3就是一个具有零压保护的PLC控制系统的启动电路。图中，PLC外部负载的供电线路是用接触器和按钮来控制其通断的。当临时停电再恢复供电时，不按下“启动”按钮SB1，PLC的外部负载就不能自行启动。这种接线方法的另一个作用是，当特殊情况下需要紧急停机时，按下“停止”按钮SB2就可以切断负载电源，而与PLC毫无关系。2.4.4冗余系统在要求有极限高可靠性的大型系统中，常采用冗余技术来保证系统的可靠性。所谓冗余系统是指系统中有多余的部分，没有它系统照常工作，但在系统出现故障时，这种多余的部分代故障部分而是系统继续正常运行。各PLC生产厂家的余系统设计方法不同，一种是靠硬件来实现的，一种是靠软件来实现的（1）硬件实现的冗余系统这种系统中有两个CPU模块在同时工作，它们执行同一个用户程序。主模块工作时，备用模块的输出被禁止。当主模块实效时，备用模块立即投入使用，切换过程是有余处理单元控制的。在接到故障信息后，冗余处理单元能立即将功能切换到备用CPU模块上。例如，OMRON的C2000H、CVMID机等，在配备相应的工作模块（主要是双机模式）后，可以设置成这种系统。在双机运行前进行必要的设定后，两个CPU即可同时启动工作。在调试或编程时，经必要的设定后即可单机运行，比较灵活。（2）软件实现的冗余系统这种系统也有两个CPU模块在同时运行一个程序，不同的是，系统不是靠冗余处理单元对两个CPU模块进行切换。主CPU模块通过通信口与备用CPU模块连在一起进行通信，在每个扫描周期的末了进行数据校验比较，当有故障时，备用CPU立即接替故障CPU模块的工作。如，西门子公司的S5系列、S7的400系列机的冗余系统就是采用这种方式。冗余系统的投资用相当大，不是十分必须的场合不必使用。 另外，对易于出故障的模块或部件，例如电源模块、输出继电器等，最好适当作点备份，一旦发现故障则立即更换，以最大限度的减小停机损失。2.4.5控制系统的抗干扰措施 由于PLC的制造厂家采取了大量的抗干扰措施，使得可编成控制器,本身的可靠性极高。但是，仍有可能从电源线和传输线引进干扰，从而影响可编程控制器的安全进行。因此，在可编程控制器控制系统安装和配线时，对这些可能产生的干扰，必须采取相应的抗干扰措施。（1）空给可编程控制器的交流电源要加隔离变压器变压器的一次和二次之间要有接地屏蔽层，最好采用三层屏蔽的方式。单层静电评比的隔离变压器，二次与屏蔽层有寄生电容存在，未能解决工频干扰的影响。双层静点屏蔽的隔离变压器，能够仰制工频干扰。三层静电评比的隔离变压器还能仰制工模干扰。（2） 电源电压的影响一般可编程控制器允许电源电压的变动范围是15%10%，若电源电压变动太大，应有检测元件检出波动信号，必要时，停止PLC的运行。（3）电源线的横载面积应足够大，以免产生过大的电压降。（4）可编程控制器的输入设备主要有传感器，光电开关，操作按钮，转换开关等。输出河北主要是接触器线圈，电磁阀线圈等，由于这些I/O设备在生产现场分布很广，因此，它们在运行过程中，会将大量的干扰信号带入PLC的主机内，为此，采取如下几方面抗干扰措施。输入信号电缆，输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设。必要时需选用带有屏蔽层的输入信号电缆和输出信号电缆，且要使屏蔽线一端接地。多芯电缆中的备用芯线也要一端接地，一方面可扩大屏蔽作用，另一方面可仰制芯线之间的信号串扰及外部干扰。 当PLC的输出触电连接交流线圈时，在线圈两端要并联RC 吸收回路，当PLC的输出触电连接直流线圈时，在线圈的两端要并联二极管吸收回路。这样可吸收交直流的浪涌电压，保护PLC的输出触电。 为避免干扰，在每条多芯电缆中，最好传输同一电平登记的信号。低电平信号线应与其他信号线分开。在任何情况下，都不能将数字信号和模拟信号用同一条电缆传输。要尽量缩短模拟良I/O信号线的长度，并采用双芯屏蔽线作为信号线。（5）必要时，可在信号线的终端并联一个约（0.10.47）UF/25V的电容。（6） 引至PLC控制柜的电缆要尽量原理那些会产生电磁干扰的装置。（7）一般都将PLC安装在专门的控制柜中，在安装PLC控制柜的四周，要留出200mm的净空间，保持良好的通风环境，尽量不要将PLC控制柜安装在有大量的金属粉尘，腐蚀性气体，高湿度，高温的场合，且要原理高电压，大电流的设备。图3 PLC外部负载电源的线路2.5电源系统引入的干扰及其避免抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。2.5.1 加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。 设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中，使用隔离变压器，必须注意:屏蔽层要良好接地;次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰)，隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层，初级的屏蔽层接交流电网的零线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。 为了抑制电网大容量设备起停(如送水泵等)引起电网电压的波动，保持供电电压的稳压，可采用开头稳压电源。 2.5.2分离供电系统 图4 分离供电系统图PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。如图4所示。 2.6消除输入开关量“抖动”干扰 图5利用定时器消除输入“抖动”干扰当PLC系统采用按钮作为输入信号时，会不可避免地产生抖动而易引起PLC的误动作。可采取如图5所示的梯形图程序来消除，其中定时时间可根据系统要求的响应速度来设定。这样可保证触点可靠闭合或断开之后再执行输出。2.7屏蔽输入端出现的误信号 图6 利用定时器屏蔽输入的误信号图6所示是以三菱FX系列为例（下同），某生产流水线实例中使用的对输入信号X000采样的梯形图程序及时序图。正常情况下，输入X000总是在输出Y000启动0.5s后发出信号。但在实际运行中，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1，从图可知，只有在000=1后0.51的时间内采样000信号，才被认为是有效信号0，其它时间，即使000误发信号，也会被屏蔽掉。2.8抑制输入输出电路引入的干扰 为了实现输入输出电路上的完全隔离，近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用，已成为防止干扰的最有效措施之一。光电耦合成具有以下特点:首先，由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰;其次，由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系;第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那么灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。 由于光电耦合器的线性区一般只能在某一特定的范围内，因此，应保证被传信号的变化范围始终在线性区内。为了保证线性耦合，既要严格挑选光电耦合器，又要采取相应的非线性较正措施，否则将产生较大的误差。 2.8.1光电耦合输入电路如图7所示。其中图7(a)、图7(b)用的较多，高电平时接成形式，低电平输入时接成形式。图7(c)为差动型接法，它具有两个约束条件，对于防止干扰有明显的优越性，适用于外部干扰严重的环境，当外部设备电流较大时，其传输距离可达100200m，图7(d)考虑到COMS电