PLC控制系统的抗干扰.doc

毕 业 论 文（设 计）题 目： plc控制系统的抗干扰问题 系 别： 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师： 摘要随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统抗干扰的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。所以又必要提高PLC控制系统抗干扰的可靠性。 一 概述4二 PLC可编程序控制器4 2.1 PLC的起源与发展8 2.2 PLC控制系统与其他工业控制系统的比较 8 2.2.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较8 2.2.2 PLC控制系统与计算机系统的比较9 2.2.3 PLC控制系统与集散型控制系统的比较11 2.3 PLC控制系统的组成12 2.3.1 硬件的组成12 2.3.2 软件的组成 16 24 PLC控制系统的发展趋势20三 电磁干扰源及对系统的干扰 223.1 干扰源及干扰一般分类 223.2 PLC控制系统中电磁干扰的主要来源233.2.1来自空间的辐射干干扰 233.2.2来自系统外引线的干扰 243.3.3来自PLC系统内部的干扰 26四 PLC控制系统工程应用的抗干扰设计 264.1设备选型 274.2综合抗干扰设计 27五 主要抗干扰措施 285.1 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰 285.2 电缆选择的敖设285.3 硬件滤波及软件抗干扰措施295.4 正确选择接地点，完善接地系统29结束语 30参考文献 32致谢 33PLC控制系统抗干扰分析 一 概述随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。二PLC可编程序控制器2.1 PLC的起源与发展 在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域，继电器控制系统通常可以看承由输入电路，控制电路，输出电路和生产现场这4个部分组成的。其中输入电路也是由按钮，行程开关，限位开关，传感器等构成。用已向系统送入控制信号。输出电路部分是由接触器，电磁阀等执行元件构成，用以控制各种被控制对象，如电动机，电炉，阀门等。继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。它通过导线将各个分立的继电器，电子元器件连接起来对工业现场实施控制；生产现场是指被控制的对象（如电动机等）或生产过程。 继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统已越来越难以适应，因为继电器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制，定时，计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须进行重新设计，布线，装配，和调试。显然，这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统，研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。 出于上述考虑，美国通用汽车公司（GM）于1968年提出了公开招标研制新型的工业控制器的设想，第二年，即1969年美国数字设备公司（DEC）就研制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算，定时，计数等顺序控制功能。所以人们将可遍程序控制器称之为PCL（Programmable Logical Controller），即可编程序逻辑控制器： 20世纪70年代末80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊，如浮点运算，函数运算，查表等。这样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制。因此，美国电气制造协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）将之正式命名为PC（Programmable Controller）。值得注意的是，因为个人计算机的简称也是PC（Personal Computer），有时为了避免混淆，人们习惯上仍将可编程序控制器简称PLC（尽管这是早期的名称）。本书采用PLC的称呼。20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器够成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上，设计上，性能价格比等方面有了重大突破。可编程序具有了高速计数，中断技术，PID控制等功能，同时联网通信功能也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。国际电工委员会（IEC）制定了PLC的标准，并给出了它的定义。 “可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部储存执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等才操作，并通过数字式，模拟式的输入与输出，控制各类的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计。” 综上所述，PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。他经过短短的几十年发展后，现在已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CAD/CAM）之一，被广泛地应用于机械，冶金，化工交通，电力等领域中。 以PLC作为控制器的PLC控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制系统的工业原理和方式。继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的，而PLC控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的，不仅可以实现开关量控制，还可以进行模拟量控制，顺序控制。另外，它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多，一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器，计数器。随着计算机和通信几刷的发展，现代PLC控制系统已远不是几十年前的哪个样子，PLC的控制从早期的单机控制发展到多机控制，实现了工厂自动化。尽管现在的PLC控制系统已发生了很大的变化，但是从自动控制的角度来看，PLC控制系统与传统的继电器系统在结构上仍有相似之处。现在以集中型的PLC控制系统为例说明集中型PLC控制系统与继电器控制系统在结构上有那些相同和不同之处，这对初学者理解PLC控制系统的工作原理是有帮助的。集中型PLC控制系统的结构。 将两种系统相比，就会发现PCL控制系统与继电器控制系统输入，输出部分基本相同，输入电路也是由按钮，开关，传感器所构成：输出电路也好似由接触器，执行器，电磁阀多构成的。不同的是继电器控制系统在控制线路被PLC中的程序代替，这样一旦生产工艺发生变化，就只需要修改程序就可以了。正是上述原因，PLC控制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外，还可以实现模拟量控制，开环或闭环过程控制，甚至多级分布式控制。随着微电子技术的进一步发展，PLC的成本在降低，传统的继电器控制系统被PLC控制系统代替已是发展的必然趋势。2.2 PLC控制系统与其他工业控制系统的比较2.2.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较 表6plc与继电器控制系统比较表比较项目继电器控制系统PLC控制系统控制功能的实现由许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能各种控制功能是通过编制的程序来实现的对生产工艺过程变更的适应性 适应性差。需要重新设计，改变继电器和接线适应性强，只需对程序进行修改控制速度低。靠机械动作实现极快。靠微处理器进行处理计数及其他特殊功能 一般没有有安装，施工 连线多，施工繁安装容易，施工方便可靠性 差，触点多，故障多高，因元器件采用了筛选和老化等可靠性措施寿命短长维护工作量大，故障不易查找有自诊能力，维护工作量小可扩展性困难容易结论：由于PLC控制系统与继电器控制系统相比具有无法比拟的优点，因此，在今后的控制系统中，传统的继电器控制系统被PLC控制系统所代替是大势所趋。2.2.2 PLC控制系统与计算机系统的比较 20世纪60年代，由于小型计算机的出现，有人曾试图用小型计算机来取代当时占统治地位的继电器控制系统，结果未获成功，代只的却是PLC的出现。通过计算机与PLC本身的工作目的，原理和方式上都存在着较大的差异，其结果比较见下表。表7 PLC与计算机系统比较表比较项目通用计算机系统PLC控制系统工作目的科学计算，数据管理等工业自动控制工作环境对工作环境要求比较高对环境要求低，可在恶劣的工业现场工作工作方式中断处理方式循环扫描方式系统软件需配备功能较强的系统的软件一般只需要简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一般性措施采用多种抗干扰措施，自诊断，断电保护，可在线维修编程语言汇编语言，高级语言梯形图，助记符语言，SFC标准化语言对操纵人员的要求需专门培训，并具有一定的计算机基础一般技术人员，稍加培训即可操作使用对内存的要求容量大容量小价格价格高价格较低其他若用于控制，一般需自行设计机种多，模块种类多，易于集成系统结论：一般情况下，在工业自动化工程中采用PLC可靠，方便，易于维护。 进入20世纪70年代，采用微处理器的工业控制计算机出现了。它与PLC共同推动着传统工业的技术改造。经过较长时间是实践，人们又发现，PLC与一般的工业控制计算机相比，PLC还是有着较强的优势，其原因是PLC专为在工业环境下的应用而设计，在PLC中采用了如下的硬件和软件措施： 光电耦合隔离和R-C滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。 内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。 采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。 具有良好的自诊断功能可对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。 对程序及有关数据有电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。 采用了冗余技术进行一步增强了可靠性。对某些大型PLC还采用了双CPU构成冗余系统，或三CPU构成表决式系统。 随着构成PLC的元器件性能的提高，PLC的可靠性也在相应的提高。一般PLC的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产PLC不再标明可靠性这一指标，因为对PCL来讲这一指标已毫无意义了。经过大量时间人们发现PLC系统在使用中发生的故障大是是由于PLC的外部开关，传感器，执行机构引起的，而不是PLC本身发生的。 另外，PLC程序设计简单，易学易懂易维护，更适合于工程技术人员。因此，PLC在工业控制方面获得了极大成功，成为工业控制中的主流。但是必须指出的是：计算机在信息处理方面还是优于PLC，所以在一些自动化控制系统中，常常将两者结合起来，PLC做下位机进行现在控制，计算机做上位机信息处理。计算机与PLC之间通过通信线路实现信息的转换和交换。这样相辅相成，构成一个功能较强的完整的控制系统。2.2.3 PLC控制系统与集散型控制系统的比较 由前所述可知，PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散型控制系统DCS（Distribution Control System）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。而PLC随微电技术，计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上，速度上，智能化模块以及联网通信上，都用很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以PLC为重要部件的分布式控制系统。随着PLC网络通信功能不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据告诉公路上（Data Highway）挂接在线通用计算机，实现在线组态，编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已具备了集散控制系统的形态，加上PLC的价格和可靠性优势，使之可以与传统的集散控制系统相互竞争。2.3 PLC控制系统的组成 PLC控制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件是指PLC本身及其外围设备，软件是指管理PLC的系统软件，PLC的应用程序，编程语言和编程支持工具软件。 2.3.1 硬件的组成 PLC控制系统的硬件是由PLC，输入/输出（I/O）电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。 PLC系统 （1）主控模块 除了早期生产的整体式PLC（PLC的各个不见都在同一机壳内）外，目前市场多数的PLC都已采用模块化的结构（PLC的各个部件独立封装，称之为模块）。在PLC中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称CPU），它包括：CPU，存储器，通信接口等部分。 CPU：CPU是PLC的控制中枢，它由控制器和运算器组成。其中，控制器是用来统一指挥和控制PLC工作的部件。运算器则是进行逻辑，算术等运算部件。PLC在CPU的控制下使整个机器有条不紊的协调工作，以实现对现场各个设备的控制。CPU的具体作用如下：执行接受，存储用户程序的操作指令。用以扫描方式来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。 执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。 响应外部设备（如编程器，打印机）的请求。 PLC中所采用的CPU随机型的不同而不同，通常有3种：通用微处理器（如8086，80286，80386等），单片机芯片，位片式处理器。一般来说，小型PLC大采用8位微处理器或单片机作为CPU，如Intel8086，Inter96系列单片机，具有集成度高，运算速度快，可靠性高等优点。如日本欧姆龙公司生产的OMRONC200H型PLC采用的是Motorola公司生产的MC68B09的CPU芯片。这是一种增强型8位微处理器。对大型PLC，大多采用高速位片式微处理器，它具有灵活性强，速度快，效率高的优点。 目前，一些厂家生产的PLC中，还采用了冗余技术，即采用双CPU或三 CPU工作，进一步提高了系统可靠性。采用冗余技术可使PLC的平均无故障工作时间达几十万小时以上。 存储器：PLC系统中的存储器主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。 系统程序存储区：采用PROM或EPROM芯片存储器。它是由生产厂家直接存放的，永久存储的程序和指令，称为监控程序。监控程序和PLC的硬件组成与专用部件的特性有关，用户不能随意访问和修改这部分存储器的程序。 存储器区：工作数据是PLC运行过程中经常变化的，需要随机存取的一些数据。这些数据一般不需要长久保存，因此采用随机存储器RAM。数据存储区包括输入，输出数据映象区，定时器/计数器预置和当前数值的数据。 用户程序存储区：用于存放用户经编程器或计算机输入的应用程序。一般采用EPROM或EEPROM存储器，用户可檫写重新编程。用户程序存储器的容量一般就代表PLC的标称容量。通常，小型机小于8KB，中型机小于50KB，而大型机可以在50KB以上。通信接口：主控模块通常有一个或一个以上的通信接口（简称通信口），用以与计算机，编程器相连，实现编程，调试，运行，监视等功能。 （2）输入/输出模块 PLC的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。生产过程有许多控制变量，如温度，压力，液位，速度，电压，开关量，继电器状态等，因此，需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。目前，生产厂家已开发出各种型号的模块供用户选择。对于输入/输出模块有：数字量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块，交流新号输入/输出模块，220V交流输入/输出模块。还有智能模块，它本身带CPU，存储器和监控系统，可独立完成各种运算。智能模块的种类很多，如高速计数模块，PID调节的模拟量控制模块，阀门控制模块，智能存储模块和智能I/O模块。 （3）电源模块 该模块将交流电源转换成供CPU存储器所需的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心。它的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性。目前，大多数PLC采用高质量的开关式稳压电源，与普通电源相比，PLC的电源工作稳定性好，抗干扰能力也强。有些机器的电源除了供内部电路使用外，还向外提供24VDC的稳压电源，用于外部传感器的需要，这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。I/O电路 PLC的基本功能就是控制，它采集被控对象的各种信号。经过PLC处理后，通过执行装置实现控制。输入电路就是被控对象（需要进行控制的机器，设备和生产过程）进行检测，采集，转换和输入。另外，安装在控制台上的按钮，开关等也可以向PLC送控制指令。输出电路的功能就是接受PLC输出的控制信号，对被孔对象执行控制任务。 PLC外围设备 PLC的外围设备很多，但基本功能不外乎对信息和数据的处理。常用的有编程器，可编程终端，打印机，条码读入机等等。编程器PLC的重要外围设备之一，它可以将用户编写的程序送到PLC的用户程序存储器。因此，它的主要任务是输入程序，调试程序和监控程序的执行过程。可编程终端是具有I/O功能的PLC人机界面产品。人可以通过触摸屏幕将信息输入PLC中同样可编程终端也可以将PLC的输入数据和信息显示在屏幕上。2.3.2 软件的组成PLC控制系统的软件主要是系统软件，应用软件，编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。 PLC系统软件与工作过程 PLC系统软件是PLC工作所必须的软件。在系统软件的支持西，PLC对用户程序进行逐条的解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新的一轮扫描。PLC的这种工作方式就称之为循环扫描。值得注意的是在继电器控制系统中，一个继电器的线圈被接通或断开，继电器的所用触点（常开触点和常闭触点）都会立即动作。但在PLC中，由于采用的是循环扫描的工作方式，所用只有扫描到”线圈”的触点时，才会动作，没有扫描到时，触点就不会动。并且PLC扫描一次用户程序的时间即扫描周期与拥护程序的长短和扫描速度有关，一般为1ms至几十毫秒。现以OMRONP型机为例来说明PLC扫描的工作过程，如上图在没有扫描之前，PLC首先应保证自身的完好性。接通电源之后，为消除各元件状态的随机性，进行清零或复位处理，检查I/O单元连接是否正确，再执行一段程序。使它涉及到各种指令和内存单元，如果执行的时间不超过规定的时间范围，则证明自身完好，否则系统关闭。上述操作完成后，将时间监视定时复位，才允许扫描 用户程序。 公共操作公共操作是在每次扫描程序前又一次自检，若发现故障，除了报警显示灯亮之外，还判断故障性质。一般性故障，只报警不停机，等待处理；对于严重故障，则停止运行用户程序，此时PLC切断一切输出。 数据I/O数据输入/输出操作有的称为I/O状态刷新。它包括两种操作：一是采样输入信号（即刷新输入状态的内容）；二是送出处理结果（即按输出状态表的内容刷新输出电路）。 输入映象存储器及刷新。由上可知送入PLC端子上的输入信号，经过电隔离，电平转换，滤波处理后，进入缓冲器内CPU的采样。在PLC的存储器有一个专门存放I/O数据区，其中对应输入端子的数据区，称之为输入映象存储器。当CPU采样时，输入信号由缓冲区进入映象区。接着就是数据输入或输出状态刷新。只有在采样刷新的时刻，输入映象存储器中的内容才与输入信号（不考虑电路固有的惯性和滤波滞后影响）一致，其他时间范围输入信号变化是不会影响映象存储器的内容的。由于PLC扫描周期一般只有几十毫秒，所以两次采样时间很短，对一般开关量来说，可以认为没有因间断采样引起的误差。即认为输入信号一旦变化，就能立即进入输入映象的存储器内。 输出映象存储器及输出状态刷新。同样道理，CPU不能直接驱动负载。按用户程序要求及当前输入状态，要保持到下次刷新为止。同样，对于变化较慢的控制过程来说，因为两次刷新的时间间隔和输出电路的惯性时间常数一般才几十毫秒，可以认为输出信号是及时的。 执行用户程序这里又包括监视与执行两部分。 监视定时器WDT。监视定时器就T1是通常所说的”看门狗”WDT（Watch-DogTimer），它是用来监视程序执行是否正常。正常时，执行完用户程序多用的时间不会超过T1，在程序复位WDT，即执行程序并开始计时：执行完用户程序后立即令WDT复位，表示程序执行正常。当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环，则WDT会发出超时报警信号，使程序重新开始执行。如果是偶然因素造成超时，重新程序不会再遇到”偶然干扰”，系统便转入正常运行；若由于不可恢复的确定性故障，则系统会自动地停止执行用户程序，切断外部负载，发出故障信号，等待处理。 执行用户程序。用户程序是放在用户程序存储器中的，扫描时，按顺序从零步开始，逐步解释和执行，直到执行END指令才结束对用户程序的扫描。 应用软件 PLC控制系统的应用软件是指为完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。随着PLC应用领域范围的不断扩大，应用水平的提高，PLC应用软件也大大丰富起来了。PLC应用软件与一般计算机信息处理软件相比，有很大不同，PLC应用软件有以下几个特点： 应用软件设计必须与生产工艺紧密结合。生产工艺要求不同，控制的功能也就要求不同，即使是相同的生产过程，由于各种设备的工艺参数不一样，控制实现的方式也不一样。所以程序设计人员必须深入现场，严格尊守生产工艺的具体要求来设计应用程序。 应用软件与硬件紧密相关。软件设计人员不能抛开硬件配置和系统孤立地考虑软件设计。设计必须根据硬件系统，接口的实际情况进行相应的程序设计。 PLC应用软件的设计需要计算机，自动控制技术甚至网络通信技术等多种知识。特别是PLC网络的出现，PLC控制系统不再是一个单独的装置。在控制系统中，可能包括有多台不同型号的PLC，计算机，外围设备等。因此在进行软件设计时，实现和处理某种控制功能都离不开计算机，自动控制和通信技术。因此，应用程序中不仅有PLC程序，还有计算机程序和通信网络程序等。 编程语言及编程支持工具软件，PLC有多种编程语言：梯形图语言，助记符语言，逻辑功能图语言，布尔代数语言和某些高级语言（Basic，C语言等）。但使用广泛的还是梯形图语言和助记符语言。现在世界上各个PLC生产厂家都研制了自己的PLC编程支持工具软件和监控组态软件。用户可以根据自己的需要利用这些软件来改善软件的开发环境，提高编程效率。24 PLC控制系统的发展趋势PLC当初是针对工业顺序控制发展而研制的。经过30几年的迅速发展，PLC已不仅能进行开关量控制，而且还能进行模拟量控制，位置控制。特别是PLC的通信网络技术的发展，使得PLC如虎添翼，由单机控制向多机控制，由集中控制向多层次分布式控制系统发展。现在PLC的足迹已遍布了国民经济的各个领域，形成了满足各种需要的PLC应用系统。 今后PLC控制系统将朝什么方向发展呢？在市场经济发达的今天，产品的发展取决于市场的需求。PLC的主要应用领域是自动化。不同的企业对自动化的要求，规模以及投资数额都不相同，存在着不同的层次需求。从我国目前正在开展的以高新技术带动传统产业发展形式来看，我们不仅要大力发展适合于大，中型企业的高水准的PLC网络，而且也要发展合适小型企业该找的性能价格比高的小型PLC控制系统。所以今后PLC控制系统将朝着两个方向发展：一是向小型化，微型化系统方向发展。作为控制系统的关键设备，PLC将朝着体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的方向发展。二是向大型化，网络化，多功能的方向发展。 小型化、高性能、低成本、简单使用 近年来，小型PLC应用十分普遍，超小型PLC的需求日趋增多。据统计，美国机床行业应用超小型PLC几乎占据了市场的1/4，国外许多PLC厂家正在积极地研制开发出各种超小型微型的PLC。例如德国西门子公司的S7-200既可以单机运行也可以联网实现复杂的控制。S7-200的最小配置是8个数字量输入和6个数字量输出，还可以根据实际情况扩展27个模块，最多可达到128个输入和120输出，此外S7-200还可以进行模拟量控制，是一种性能价格比较好的微型PLC 大型化、网络化、多功能 多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性。系统设计，组态也更为灵活方便，地域分布也广，是当前控制系统发展的主要潮流。为了适应这种发展，实现工厂自动化，世界上各PLC生产厂家不断地研制开发功能更强的PLC网络系统。这种PLC网络一般是多级的，网络的最底层是现场执行级，网络的最上层为组织管理级。现场执行级可以由多个PLC或远程I/O工作站所组成，中间一级由PLC或计算机构成。最高一级一般由高性能的计算机组成。它们之间采用工业以太网，MAP网和工业现场总线相连构成一个多级分布式PLC。随着自动控制系统技术的发展，这种多分布式的PLC控制系统不再是单一的，除了控制功能外，还可以实现在线优化，生产过程的实时调度，产品计划，统计管理等功能，成为一种测，控，管一体化的多功能综合系统。 PLC控制系统将与智能控制系统更进一步地相互渗透和结合 目前，PLC与计算机已成为地结合并广泛应用，PLC不再是单独的一个控制装置，它成为控制系统中的一个重要的组成部分和环节。随着集成电路和计算机技术的进一步发展，今后的PLC将更加注重它与智能控制系统的结合。许多PLC开发商已经注意到了PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC的兼容，而且还注意到PLC与计算机的兼容，使之可以充分地利用计算机现有的软件资源。例如西门子的S7-300采用SIMATICS7的模块，它的软件编程，监控都可以在Windows操作平台上操作和运行。今后PLC将采用速度更快，功能更强的CPU，容量更大的存储器。并将更充分地利用计算机资源。PLC与工业控制计算机，集散控制系统，嵌入式计算机等系统还将进一步渗透与结合，这必将更进一步拓宽PLC的应用领域和空间。 实现软，硬件的标准化 长期以来，PLC走的是专门化的道路，使其在获得成功的同时也带来诸多的不便。例如各个公司的PLC都有通信联网的能力，但各个公司的PLC之间还无法通信联网，因此制定PLC国际标准已是今后的发展趋势。从1978年起国际电工委员会IEC在其下设TC65的SC65B中转设WGT工作组制定PLC的国际标准。三 电磁干扰源及对系统的干扰3.1 干扰源及干扰一般分类影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。3.2 PLC控制系统中电磁干扰的主要来源3.2.1来自空间的辐射干干扰空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。3.2.2来自系统外引线的干扰主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。来自电源的干扰实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的PLC电源，问题才得到解决。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。来自信号线引入的干扰 与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。来自接地系统混乱时的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。3.3.3来自PLC系统内部的干扰主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。四 PLC控制系统工程应用的抗干扰设计为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要以下两个方面。4.1设备选型在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。 在选择国外进口产品要注意：我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准（GB/T13926）合理选择。4.2综合抗干扰设计主要考虑来自系统外部的几种如果抑制措施。主要内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是原理动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。五 主要抗干扰措施5.1 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。5.2 电缆选择的敖设为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。笔者在某工程中，采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，从而降低了动力线生产的电磁干扰，该工程投产后取得了满意的效果。不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。5.3 硬件滤波及软件抗干扰措施信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。5.4 正确选择接地点，完善接地系统接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2，接地极最好埋在距建筑物10 15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。 结束语PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作。（熊云斌）?PLC抗干扰的软件措施工业现场电磁环境复杂，有时只采用硬件措施不能完全消除干扰的影响，必须用软件措施加以配合。可采用如下的软件措施：一、延时确认对于开关量输入，可采用软件延时20ms，对同一信号作两次或两次以上读入，结果一致才确认输入有效。二、封锁干扰某些干扰是可以预知的，如可编程序控制器的输出命令使执行机构（如大功率电动机、电磁铁）动作，常常会伴随产生火花。电弧等干扰信号，它们产生地干扰信号可能使可编程序控制器接收错误的信息。在容易产生这些干扰的时间内，可用软件封锁可编程序控制器的某些输入信号，在干扰易发期过去后，再取消封锁。三、软件滤波对于模拟信号可以采取软件滤波措施，目前的大型PLC编程大都支持SFC、结构化文本编程方式，这可以很方便的编制比较复杂的程序，完成相应的功能。四、故障的检测与诊断可编程序控制器的可靠性很高，本身有完善的自诊断功能，可编程序控制器如出现故障，借助自诊断程序可以方便的找到故障的部位与部件，更换后就可以恢复正常工作。大量的工程实践表明，可编程序控制器外部的输入、输出元件，如限位开关、电磁阀、接触器等的故障率远远高于可编程序控制器本身的故障率，而这些元件出现故障后，可编程序控制器一般不能觉察出来，不会自动停机，可能使故障扩大，直至强电保护装置动作后停机，有时甚至会造成设备和人身事故。停机后，查找故障也要花费很多时间。为了及时发现故障，在没有酿成事故之前使可编程序控制器自动停机和报警，也为了方便查找故障，提高维修效率，可以使用梯形图程序实现故障的自诊断和自处理。现代的可编程序控制器拥有大量的软件资源，如FX2N 系列可编程序控制器有几千点辅助继电器、几百点定时器和计数器，有相当大的裕量。可以这些资源利用起来，用于故障检测。1、超时检测机械设备在各自工步的动作所需的时间一般是不变的，即使变化也不会太大，因此可以以这些时间为参考，在可编程序控制器发出输出信号，相应的外部执行机构开始动作时启动一个定时器定时，定时器的设定值比正常情况下该动作的持续时间长20%左右。例如设某执行机构（如电动机）在正常情况下运行10s后，它驱动的部件使限位开关动作，发出动作结束信号。若该执行的动作时间超过12s（即对应定时器的设定时间），可编程序控制器还没有接收到动作结束信号，定时器延时接通的常开触点发出故障信号，该信号停止正常的循环程序，起动报警和故障显示程序，使操作人员和维修人员能顺速判别故障的种类，及时采取排除故障的措施。2、逻辑错误检测在系统正常运行时，可编程序控制器的输入、输出信号和内部的信号（如辅助继电器的状态）相互之间存在着确定的关系，如出现异常的逻辑信号，则说明出现了故障。因此，可以编制一些常见故障的异常逻辑关系，一旦异常逻辑关系为ON状态，就应该按故障处理