PLC控制系统抗干扰分析.pdf

2 0 0 5年第 3期 煤 矿 机 械 文章 编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 5 0 3 ． 0 1 1 3 ． 0 3 11 3 P L C控制系统抗干扰分析 王 梦文 ．刘立 新 鸡 西大学 ，黑龙 江 鸡 西 1 5 8 1 0 0 摘 要 主要介 绍电磁干扰 源与干扰的分类 ，对 P L C控制 系统 中电磁 干扰 的主要 来源及 其原 因进行 了分析 ，并且 阐述 了在 工程 应用 中抗干扰 的设计 ， 说 明 了主要抗 干扰 所应 采取 的措 施及 方 法 。 关 键 词 P L C；控 制 系统 ；干扰 ；措 施 中图号 T P 3 4 7 文献标识码 B 1 引言 随着科 学 技术 的发展 ， P L C在工业 控制 中的应 用越来越广泛 。P L C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 P L C ，有的是集中安装在控制 有 了前 面的理论推导 ， 微处理器 8 0 C 1 6 5中实现 这种算法就 变 得容 易起 来 ， P I D运 算 过程 中所 有参 数和计算值均 以多字 节浮点 数表 示 ， 在线运行 过程 中 ， 控制系统通过对模糊逻辑规则 的结果处理 、 查表 和运算 ， 完成对 P I D参数的在线 自整定。 5实 验 及 结 果 为 了验证 上述 系统设计 的可行 性 ， 以 自行搭建 的 P R O F I B U SD P主站 为控 制 主体 ， 基 于 P R O F I B U S D P智能从站的开关磁阻电机调速系统为被控对 象 ， 对 1台 0 ． 7 5 k W， 6 ／ 4极三相 S R电机进行 了实 验 验证 。实 验结 果表 明 ， 本 系统设 计完 全达 到 了预期 的控 制效果 ， 实验 结果 如图 4所示 。 f ／ s 图 4常规 P I D和模 糊 自适应整定 P I D控 制系统 的响应 曲线 F i g． 4 Cu r v e o f c o mmo n P I D a n d f u z z y s e l f c o r r e c t i o n P I D f o r c on t r o l s ys t em 从实验结果 可以看 出 ， 常规 P I D控制 的调节时 间长 ， 超调大 ， 而模糊 自适应整定 P I D控 制的性能 明 显改善 ， 系统 响应加快 ， 超调量减小 ， 运行平稳 。 6结 语 P R O F I B U S现场总线 已经在国际上非 常盛 行 ， 广 泛应用于加工制造、 过程和楼宇 自动化 ， 但在 国内 尚 处于起步阶段。本 文在开关磁 阻电机调速 系统 中引 入 了 P R O F I B U SD P智能从 站技 术 ， 目的是 使传 统 电机摆脱 旧的控 制模 式 ， 为 电机 实现 智 能化 、 网络 化 、 远程化控制提供一种新 的思路 。 参考文 献 [ 1 ] 阳宪 惠 ． 现 场 总 线 技 术 及其 应 用 [ M] ． 北 京 清 华 大 学 出 版 社 。 1 9 9 9． [ 2 ] 陶永 华 ． 新 型 P I D控 制 及 其 应 用 [ M] ． 北 京 机 械 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 2． [ 3 ] 满庆 丰 ， 韩锋 ， 夏 继 强 ， 等 ． 开发 P R OF I B U SD P智 能 从 站 [ J ] ． 电 测与 仪表 ， 2 0 0 3 ， 4 0 4 4 7 3 740 ． [ 4 ] 刘 金琨 ． 先 进 P I D控制 及其 M A T L A B仿 真 [ M] ． 北 京 电 子工 业 出 版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 童 怀 ． 磁 阻电机动 态特性 的非线 性分析 与计 算机 仿 真 [ M] 北京 科 学 出版社 ， 2 0 0 0 ． 作者简 介 杨 敏 1 9 7 5一 ， 女 ， 天 津 人 ， 大 学 本 科 ． T e l 0 5 7 1 8 7 9 9 4 3 1 9，E m a i l y mwx p 1 2 6． c o m． 收 稿 日期 2 0 0 4 ． 1 2 ． 2 4 Ap pl i c a t i o n 0 f I n t e l l i g e n t PR0F I BUSDP S l a v e S t a t i o n i n S wi t c h e d Re l u c ta n c e M 0 t 0 r Dr i v e s YA NG M A n，ZHU Ho n g F a n g y u a n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o - L t d ． - o f Z h e j i a n U n i v e r i s t y ， H ang z h o u 3 1 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r b ri e fl y i n t r o d u c e s P R O F I B U SD P fi e l d b u s a n d s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r d ri v e s S R D ． T o r e a l i z e a l o n gd i s t a n e e s t a k e o u t a n d c o n t r o l o f S RD。 t h e t e c h n o l o g y o f i n t e l l i g e n t P R O兀B USD P s l a v e s t a t i o n i S i n t r o d u e e d t o S RD．Ac c o r d i n g t o t h e p r o b l e m r e s u l t e d f r o m t h e n o t a b l e n o n ] i n e a r o f S RD， we a d o p t a f u z z y s e l f t un i n g PI D a r i t hme t i c i n t he s y s t e m ， an d d i s c us s i t s r e a l i z a t i o n o f s o f t wa r e an d h a rdwa r e Te s t p r o v e s tha t t he de s i g ne d S RD h a s e x c e l l e n t c ha r - ac t er Ke y wo r d s PROFI BUS DP；S PC 48 0 C1 65f u z z y s e lf t u n i n g PI D SRD 维普资讯 堇 丕 王 坌堑二二三茎 箜 2 0 0 5 年第3 期 室 ， 有的是 安装在生产现场和各 电气设备上 ， 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 P L C控 制 系统 可靠性 ， 一 方面 要求 P L C 生产厂家提高设备 的抗 干扰能力 ； 另一方面 ， 要求在 工程设 计 、 安装施 工和使用维护 中引起高度重视 ， 多 方配合 才能解决 问题 ， 有效 地增 强 系统的抗 干扰性 能。 2 电磁 干扰源及对 系统 的干扰 2 ． 1 干 扰 源 及 干扰 一般 分 类 影响 P L C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 1 3 0 V 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 ， 这种干扰 直接叠加在信号上 ， 直接影 响测量 与 控制精 度 。 2 ． 2 P L C控 制 系统 中电磁干扰 的主要 来源 1 来 自空 间的辐射干扰 空间的辐 射 电磁场 E MI 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 P L C系统 置 于 辐 射 频 场 内， 就会 收到辐 射干扰 ， 其 影响 主要通过 2条路径 ①直 接对 P L C内部 的辐 射 ， 由电路感 应 产 生干扰 ； ②对 P L C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 ， 特别与频率有关 ， 一般通过设 置屏蔽 电 缆 和 P L C局部屏 蔽及 高压泄放元 件进 行保 护。 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 P L C控制 系统故 障的情况很多。P L C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 ， 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 。P L C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 P L C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 号侵人。此 干扰 主要有 2种途径 ①通 过变送 器供 电电源或共用信号仪表 的供 电电源 串入 的电网进行 干扰 ， 这往往被忽视 ； ②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 。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 。P L C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 E MC 的有效手段 之一 。P L C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 P L C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 。 3 来 自 P L C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 P L C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 改变的 ， 可不必过 多考虑 ， 但要选择具有较多 应用实际或经过考验 的系统 。 3 P L C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。 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 E MC ， 维普资讯 2 0 0 5年第 3期 尤其是抗外部 干扰能力好 的 P L C系统 ； 其 次还 应 了 解生产厂 给出的抗 干扰指标 。选择 国外进 口产 品要 注意 我 国是采用 2 2 0 V高 内阻电网制式 ， 而欧美地 区是 1 1 0 V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 P L C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 G B ／ T 1 3 9 2 6 合理选择 。 2 综合抗 干扰设 计 主要 考虑来 自系统 外部 的几种抑制措施 。主要 内容包括 对 P L C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。 4主要抗干扰措施 1 采 用性 能优 良的电源 ， 抑制 电网引入的干扰 在 P L C控制 系统 中 ， 电源 占有 极重 要 的地位 。 电网干扰 串入 P L C控 制 系统 主 要通过 P L C系统 的 供 电电源 如 C P U电源、 I ／ O电源等 、 变送 器供 电电 源和与 P L C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 P L C系统供 电的电源， 一 般都采用隔离性 能较好电源 ， 而变送器供 电的电源和 P L C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 P L C系统 的干扰 。 此 外 ， 为保证 电网馈 电不 中断 ， 可采用 在线式不 间断供 电 电源 U P S 供 电， 提高供 电的安全可靠 性 。 并且 U PS 还具 有较强 的干扰 隔离性能 ， 是一 种 P L C 控制 系统的理想 电源 。 2 电缆选择 的敷设 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 。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敷设 ， 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 敷设 ， 以减少 电磁 干扰。 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 连接 干扰影 响是 不可能 的 ， 因此 在 P L C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。 4 正确选择接地点 ， 完善 接地系统 接 地的 目的通常有 2个 ， 其一为 了安全 ， 其二是 为了抑制干扰 。完善 的接 地 系统 是 P L C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 3种 方式 。对 P L C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 1 MH z ， 所以 P L C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 P L C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 。信号 源接 地时 ， 屏 蔽层应 在信号侧接地 ； 不接地 时 ， 应 在 P L C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 。 作者 简介 王梦 文 1 9 7 0一 ， 吉林 榆树人 ， 1 9 9 5年 毕业 于黑 龙江 科技学 院工业 自动 化 专业 ， 现 为 鸡 西 大学 理 工 系党 总 支 副 书记 ， 讲 师 ， 主要从 事 自动化专 业教 学和科 研 工作 ， 出版 教材 1 部 ， 发 表 论 文 多 篇 ． T e l 0 4 6 72 3 9 5 1 0 0． 收稿 日期 2 0 0 4 ． 1 0 - 3 1 PLC Co n t r o l S y s t e m Re s i s t s I n t e r f e r e n c e An a l y s i s W ANG M e n g we n 。L1 U L i 一 fi n J ix i U n i v e r s i t y 。 J i x i 1 5 8 1 0 0 。 C h i n a Abs t r a c tThi s t e x t h a d i n t r o d u c e d t h e e l e c t roma g ne t i c c l a s s i fic a t i o n t h a t i n t e r f e r e d t h e s o ur c e a n d i n t e rfe r i n g ma i n l y a nd an a t y z e d t o t h e e l e c t roma gn e t i c ma i n s o u r c e a n d r e a s o n t h a t i n t e rfe r e d i n PL C c o n t rol s y s t e m -an d h as e x pl a i n e d t h e d e - s i g n o f a n t i i n t e r f e r e n c e and ma i n a n t i i n t e rf e r e n c e m e a s u r e t h a t s h o u l d t a k e o f e x p l a n a t i o n i n t h e p r o j e e t i S u s e d． Ke y wo r d sPLCc o n t rol s y s t e m ；i n t e rfe r e nc e；me a s u r e 维普资讯