PLC控制系统的抗干扰设计及应用
plc控制系统的抗干扰设计及应用
分析了影响plc控制系统可靠生的主要因素,研究了plc控制系统的硬件抗干扰措施的设计方法和原理,并将这些措施应用在轴承专用磨床smz203d的plc控制系统的抗干扰设计中。
关键字：plc控制系统 抗干扰设计划工作 应用
1 引言
plc（programmable logic controller）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化控制技术和通讯技术的一种工业自动控制装置。plc作为新一代工业控制计算机，因其具有体积小、功能强、通用性好、实用性强、硬件配套齐全、程序设计简单易学及维护方便等优点而被广泛应用于工业领域。由于plc是专门为工业生产环境而设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但如果环境过于恶劣，如强磁场、强腐蚀、高粉尘、强辐射、剧烈的冲击和震动，都不能保证plc正常、安全地运行。因此，研究plc控制系统的抗干扰设计具有十分重要的现实意义[1]。
2 影响plc控制系统可靠性的主要因素
plc控制系统的可靠性通常用平均故障间隔时间（mean time between failure，简称wibf）来衡量。它表示系统从发生故障进行修理到下一次发生故障的时间间隔的平均值。plc装置本身是非常可靠的，而plc控制系统的干扰主要是外部环节和硬件配置不当引起的。一是电源侧的工频干扰，它由电源进入plc装置，造成系统工作不正常;二是线路传输中的静电或磁场耦合干扰，以及周围高频电源的辐射干扰，静电耦合是通过信号线与电源线之间的寄生电容，磁场耦合发生在长布线中线间的寄生互感上，高频辐射是通过高频交变磁场与信号间的寄生电容;三是plc控制系统的接地系统不当引起的干扰。因此，在实际设计中往往从以下几个方面考虑[1]：1）对程序和数据的保护;2）对工业生产环境的适应性;3）故障安全原则，系统间独立性原则与冗余及容错结构;4）运行时的实时性和连续性。
3 plc控制系统的抗干扰设计
根据影响plc控制系统可靠性的主要因素，在plc控制系统开发设计时，应该从系统软件和硬件两方面考虑，以提高plc控制制系统的可靠性和抗干扰能力。而在生产实际应用中，主要考虑控制系统的硬件抗干扰设计。
3mz203d机床是轴承套圈内圆磨床，根据生产实际要求和多年的实践经验，对该3mz203d内圆磨床的plc控制系统硬件抗干扰设计及应用采取了相关措施，下面对此进行介绍。
3.1 抑制电源系统引入的干扰
为了抑制电网大容量设备起停引起的电网电压波动及工频干扰，这方面可采用隔离变压器，并进行滤波，所有屏蔽层进行良好接地。如图1所示。
3．2安装与布线额的抗干扰设计应用
在大地电位变化较大的场所，plc系统受到共模干扰，而且很容易转变为串模干扰，因此控制系统的接地系统设计就尤为重要。控制系统的接地方式采用独立接地方，如图2所示。接地时应注意：接地线应尽量短且截面积应大于2mm ； 接地点尽量靠近控制器；接地线应避开强电回路和主回路的电线，无法避开时应垂直交叉；接地电阻应小于2ω。
plc电源线、i／o电源线、输入信号线、输出信号线、交流线、直流线分别使用各自的电缆， 且尽量分开布线。开关量信号线和模拟量信号线也尽量分开布线。而且，模拟量信号线应需要屏蔽电缆，并将电缆的屏蔽层接地；数字传输线也要采用屏蔽电缆，并将电缆的屏蔽层接地； 当交流与直流的输入和输出信号线不得不问时使用同一配线管时，直流输入、输出信号线要使用屏蔽电缆，并将屏蔽层接地。
3.3 输入信号的抗干扰设计与应用
输入设备的输入信号的线间干扰(差模干扰)用输入模块的滤波器可以使其衰减，然而，输入信号线与地问的共模十扰在控制器内部回路产生的电位差仍会引起控制器误动作。因此， 为了抗共模 f扰，控制器要良好接地。
当输入信号源为感性元件，输出负载的负载特性为感性元件时，为了防止反冲感应电势或浪涌电流损坏模块，对于交流输入信号在负载俩端并联电容c和电阻r， 对于直流输入信号并联续流二极管vd，如图3所示。在图3 (a) 中r、c参数一般选择为120ω+0．1μf(当负荷容量10v·a时)。在图3 (b)中，二极管的额定电流选为1a，额定电压要大于电源电压的3倍。对于感应电压的干扰，采用输入电压直流化或输入端并接浪涌吸收器的方法抑制[1]。
3．4输出信号的抗干扰设计
交流感性负载场合下，在负载两端并接浪涌吸收器；直流负载场合下，在负载两端并接续流二极管vd， 以抑制输出信号的干扰， 如图4所示。在图4 (a)中，rc越靠近负载，抗干扰效果越好。当plc的输出驱动的负载为电磁阀这类元件时，可在输出端和电磁阀之间加固态继电器(ssr)进行隔离。另外，从抗干扰的角度出发，适当选择i／0模块也是很重要的。在干扰多的场合，可选用绝缘型的i／o模块和装有浪涌吸收器的模块，可以有效地抑制输入输出信号地干扰。
3．5输入输出信号漏电流地处理
当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时，当输出元件为双向，或是晶体管输出而外部负载又很小时会因为这类输出元件在关断时有较大地漏电流，使输入电路和外部负载电路不能关断，导致输入与输出信号地错误。为此，在这类输入、输出端要并联旁路电阻，以减小plc输入电流和外部负载上的电流，如图5所示。
图5中旁路电阻可按以下方式计算：
r式中：um为输入信号源或外部负载电压的最大值；
l1为输入信号源或输出晶闸管最大漏电流；
ln为输入点或外部负载的额定电流。
3.6 输入输出信号采用光电隔离措施的抗干扰设计
利用光电耦合器的开关特性实现输入和输出信号的完全隔离，是抑制干扰的有效措施之一。光电耦合器如图6所示。光电耦合器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来， 也就是把“模拟地” 和“数字地” 断开。由于光电耦合器具有很高的输入／输出绝缘电阻和较高地输出阻抗，被测信号可通过光电耦合器获得通路，而共模干扰信号由于不成回路而得到有效抑制， 因此，在plc控制系统现场i／o信号经光电耦合器隔离，与plc系统本体分开，切断了干扰噪声的通道，解决了输入输出回路的抗干扰问题， 是系统调试方便，运行可靠。
在3mz203d专用磨床的plc控制系统中，采用了以上几种方式的抗干扰措施，取得了良好的系统抗干扰能力，该系统经过了一段时间的使用，未出现由于干扰而引起的误动作，整个plc系统的故障率也下降了，系统运行正常。
4 结束语
要提高plc控制系统的抗干扰的措施还有很多，本文仅探讨和应用了常用的硬件抗干扰和保护措施。在实际应用当中，又充分考虑对plc的各种不利因素，在硬件设计中采取适当的保护措施，就完全可以使控制系统安全可靠地运行。
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关键字：plc控制系统 抗干扰设计划工作 应用
1 引言
plc（programmable logic controller）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化控制技术和通讯技术的一种工业自动控制装置。plc作为新一代工业控制计算机，因其具有体积小、功能强、通用性好、实用性强、硬件配套齐全、程序设计简单易学及维护方便等优点而被广泛应用于工业领域。由于plc是专门为工业生产环境而设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但如果环境过于恶劣，如强磁场、强腐蚀、高粉尘、强辐射、剧烈的冲击和震动，都不能保证plc正常、安全地运行。因此，研究plc控制系统的抗干扰设计具有十分重要的现实意义[1]。
2 影响plc控制系统可靠性的主要因素
plc控制系统的可靠性通常用平均故障间隔时间（mean time between failure，简称wibf）来衡量。它表示系统从发生故障进行修理到下一次发生故障的时间间隔的平均值。plc装置本身是非常可靠的，而plc控制系统的干扰主要是外部环节和硬件配置不当引起的。一是电源侧的工频干扰，它由电源进入plc装置，造成系统工作不正常;二是线路传输中的静电或磁场耦合干扰，以及周围高频电源的辐射干扰，静电耦合是通过信号线与电源线之间的寄生电容，磁场耦合发生在长布线中线间的寄生互感上，高频辐射是通过高频交变磁场与信号间的寄生电容;三是plc控制系统的接地系统不当引起的干扰。因此，在实际设计中往往从以下几个方面考虑[1]：1）对程序和数据的保护;2）对工业生产环境的适应性;3）故障安全原则，系统间独立性原则与冗余及容错结构;4）运行时的实时性和连续性。
3 plc控制系统的抗干扰设计
根据影响plc控制系统可靠性的主要因素，在plc控制系统开发设计时，应该从系统软件和硬件两方面考虑，以提高plc控制制系统的可靠性和抗干扰能力。而在生产实际应用中，主要考虑控制系统的硬件抗干扰设计。
3mz203d机床是轴承套圈内圆磨床，根据生产实际要求和多年的实践经验，对该3mz203d内圆磨床的plc控制系统硬件抗干扰设计及应用采取了相关措施，下面对此进行介绍。
3.1 抑制电源系统引入的干扰
为了抑制电网大容量设备起停引起的电网电压波动及工频干扰，这方面可采用隔离变压器，并进行滤波，所有屏蔽层进行良好接地。如图1所示。
3．2安装与布线额的抗干扰设计应用
在大地电位变化较大的场所，plc系统受到共模干扰，而且很容易转变为串模干扰，因此控制系统的接地系统设计就尤为重要。控制系统的接地方式采用独立接地方，如图2所示。接地时应注意：接地线应尽量短且截面积应大于2mm ； 接地点尽量靠近控制器；接地线应避开强电回路和主回路的电线，无法避开时应垂直交叉；接地电阻应小于2ω。
plc电源线、i／o电源线、输入信号线、输出信号线、交流线、直流线分别使用各自的电缆， 且尽量分开布线。开关量信号线和模拟量信号线也尽量分开布线。而且，模拟量信号线应需要屏蔽电缆，并将电缆的屏蔽层接地；数字传输线也要采用屏蔽电缆，并将电缆的屏蔽层接地； 当交流与直流的输入和输出信号线不得不问时使用同一配线管时，直流输入、输出信号线要使用屏蔽电缆，并将屏蔽层接地。
3.3 输入信号的抗干扰设计与应用
输入设备的输入信号的线间干扰(差模干扰)用输入模块的滤波器可以使其衰减，然而，输入信号线与地问的共模十扰在控制器内部回路产生的电位差仍会引起控制器误动作。因此， 为了抗共模 f扰，控制器要良好接地。
当输入信号源为感性元件，输出负载的负载特性为感性元件时，为了防止反冲感应电势或浪涌电流损坏模块，对于交流输入信号在负载俩端并联电容c和电阻r， 对于直流输入信号并联续流二极管vd，如图3所示。在图3 (a) 中r、c参数一般选择为120ω+0．1μf(当负荷容量10v·a时)。在图3 (b)中，二极管的额定电流选为1a，额定电压要大于电源电压的3倍。对于感应电压的干扰，采用输入电压直流化或输入端并接浪涌吸收器的方法抑制[1]。
3．4输出信号的抗干扰设计
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3．5输入输出信号漏电流地处理
当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时，当输出元件为双向，或是晶体管输出而外部负载又很小时会因为这类输出元件在关断时有较大地漏电流，使输入电路和外部负载电路不能关断，导致输入与输出信号地错误。为此，在这类输入、输出端要并联旁路电阻，以减小plc输入电流和外部负载上的电流，如图5所示。
图5中旁路电阻可按以下方式计算：
r
l1为输入信号源或输出晶闸管最大漏电流；
ln为输入点或外部负载的额定电流。
3.6 输入输出信号采用光电隔离措施的抗干扰设计
利用光电耦合器的开关特性实现输入和输出信号的完全隔离，是抑制干扰的有效措施之一。光电耦合器如图6所示。光电耦合器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来， 也就是把“模拟地” 和“数字地” 断开。由于光电耦合器具有很高的输入／输出绝缘电阻和较高地输出阻抗，被测信号可通过光电耦合器获得通路，而共模干扰信号由于不成回路而得到有效抑制， 因此，在plc控制系统现场i／o信号经光电耦合器隔离，与plc系统本体分开，切断了干扰噪声的通道，解决了输入输出回路的抗干扰问题， 是系统调试方便，运行可靠。
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4 结束语
要提高plc控制系统的抗干扰的措施还有很多，本文仅探讨和应用了常用的硬件抗干扰和保护措施。在实际应用当中，又充分考虑对plc的各种不利因素，在硬件设计中采取适当的保护措施，就完全可以使控制系统安全可靠地运行。
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