摘 要：分析了影響PLC控制系統(tǒng)可靠生的主要因素,研究了PLC控制系統(tǒng)的硬件抗干擾措施的設(shè)計方法和原理,并將這些措施應(yīng)用在軸承專用磨床SMZ203D的PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計中。
關(guān)鍵字：PLC控制系統(tǒng) 抗干擾設(shè)計劃工作 應(yīng)用

1 引言

PLC（Programmable Logic Controller）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)和通訊技術(shù)的一種工業(yè)自動控制裝置。PLC作為新一代工業(yè)控制計算機，因其具有體積小、功能強、通用性好、實用性強、硬件配套齊全、程序設(shè)計簡單易學(xué)及維護方便等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工業(yè)環(huán)境使用。但如果環(huán)境過于惡劣，如強磁場、強腐蝕、高粉塵、強輻射、劇烈的沖擊和震動，都不能保證PLC正常、安全地運行。因此，研究PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計具有十分重要的現(xiàn)實意義[1]。

2 影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素

PLC控制系統(tǒng)的可靠性通常用平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，簡稱WIBF）來衡量。它表示系統(tǒng)從發(fā)生故障進行修理到下一次發(fā)生故障的時間間隔的平均值。PLC裝置本身是非常可靠的，而PLC控制系統(tǒng)的干擾主要是外部環(huán)節(jié)和硬件配置不當(dāng)引起的。一是電源側(cè)的工頻干擾，它由電源進入PLC裝置，造成系統(tǒng)工作不正常;二是線路傳輸中的靜電或磁場耦合干擾，以及周圍高頻電源的輻射干擾，靜電耦合是通過信號線與電源線之間的寄生電容，磁場耦合發(fā)生在長布線中線間的寄生互感上，高頻輻射是通過高頻交變磁場與信號間的寄生電容;三是PLC控制系統(tǒng)的接地系統(tǒng)不當(dāng)引起的干擾。因此，在實際設(shè)計中往往從以下幾個方面考慮[1]：1）對程序和數(shù)據(jù)的保護;2）對工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性;3）故障安全原則，系統(tǒng)間獨立性原則與冗余及容錯結(jié)構(gòu);4）運行時的實時性和連續(xù)性。

3 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

根據(jù)影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素，在PLC控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計時，應(yīng)該從系統(tǒng)軟件和硬件兩方面考慮，以提高PLC控制制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。而在生產(chǎn)實際應(yīng)用中，主要考慮控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計。

3MZ203D機床是軸承套圈內(nèi)圓磨床，根據(jù)生產(chǎn)實際要求和多年的實踐經(jīng)驗，對該3MZ203D內(nèi)圓磨床的PLC控制系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計及應(yīng)用采取了相關(guān)措施，下面對此進行介紹。

3.1 抑制電源系統(tǒng)引入的干擾

為了抑制電網(wǎng)大容量設(shè)備起停引起的電網(wǎng)電壓波動及工頻干擾，這方面可采用隔離變壓器，并進行濾波，所有屏蔽層進行良好接地。如圖1所示。

3．2安裝與布線額的抗干擾設(shè)計應(yīng)用

在大地電位變化較大的場所，PLC系統(tǒng)受到共模干擾，而且很容易轉(zhuǎn)變?yōu)榇８蓴_，因此控制系統(tǒng)的接地系統(tǒng)設(shè)計就尤為重要。控制系統(tǒng)的接地方式采用獨立接地方，如圖2所示。接地時應(yīng)注意：接地線應(yīng)盡量短且截面積應(yīng)大于2mm ； 接地點盡量靠近控制器；接地線應(yīng)避開強電回路和主回路的電線，無法避開時應(yīng)垂直交叉；接地電阻應(yīng)小于2Ω。

PLC電源線、I／O電源線、輸入信號線、輸出信號線、交流線、直流線分別使用各自的電纜， 且盡量分開布線。開關(guān)量信號線和模擬量信號線也盡量分開布線。而且，模擬量信號線應(yīng)需要屏蔽電纜，并將電纜的屏蔽層接地；數(shù)字傳輸線也要采用屏蔽電纜，并將電纜的屏蔽層接地； 當(dāng)交流與直流的輸入和輸出信號線不得不問時使用同一配線管時，直流輸入、輸出信號線要使用屏蔽電纜，并將屏蔽層接地。

3.3 輸入信號的抗干擾設(shè)計與應(yīng)用

輸入設(shè)備的輸入信號的線間干擾(差模干擾)用輸入模塊的濾波器可以使其衰減，然而，輸入信號線與地問的共模十?dāng)_在控制器內(nèi)部回路產(chǎn)生的電位差仍會引起控制器誤動作。因此， 為了抗共模 F擾，控制器要良好接地。

當(dāng)輸入信號源為感性元件，輸出負(fù)載的負(fù)載特性為感性元件時，為了防止反沖感應(yīng)電勢或浪涌電流損壞模塊，對于交流輸入信號在負(fù)載倆端并聯(lián)電容C和電阻R， 對于直流輸入信號并聯(lián)續(xù)流二極管VD，如圖3所示。在圖3 (a) 中R、C參數(shù)一般選擇為120Ω+0．1μF(當(dāng)負(fù)荷容量<10V·A時)或47Ω+0.471μF (當(dāng)負(fù)荷容量>10V·A時)。在圖3 (b)中，二極管的額定電流選為1A，額定電壓要大于電源電壓的3倍。對于感應(yīng)電壓的干擾，采用輸入電壓直流化或輸入端并接浪涌吸收器的方法抑制[1]。

3．4輸出信號的抗干擾設(shè)計

交流感性負(fù)載場合下，在負(fù)載兩端并接浪涌吸收器；直流負(fù)載場合下，在負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管VD， 以抑制輸出信號的干擾， 如圖4所示。在圖4 (a)中，RC越靠近負(fù)載，抗干擾效果越好。當(dāng)PLC的輸出驅(qū)動的負(fù)載為電磁閥這類元件時，可在輸出端和電磁閥之間加固態(tài)繼電器(SSR)進行隔離。另外，從抗干擾的角度出發(fā)，適當(dāng)選擇I／0模塊也是很重要的。在干擾多的場合，可選用絕緣型的I／O模塊和裝有浪涌吸收器的模塊，可以有效地抑制輸入輸出信號地干擾。

3．5輸入輸出信號漏電流地處理

當(dāng)輸入信號源為晶體管，或是光電開關(guān)輸出類型時，當(dāng)輸出元件為雙向，或是晶體管輸出而外部負(fù)載又很小時會因為這類輸出元件在關(guān)斷時有較大地漏電流，使輸入電路和外部負(fù)載電路不能關(guān)斷，導(dǎo)致輸入與輸出信號地錯誤。為此，在這類輸入、輸出端要并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負(fù)載上的電流，如圖5所示。

圖5中旁路電阻可按以下方式計算：

R
式中：Um為輸入信號源或外部負(fù)載電壓的最大值；
l1為輸入信號源或輸出晶閘管最大漏電流；
ln為輸入點或外部負(fù)載的額定電流。

3.6 輸入輸出信號采用光電隔離措施的抗干擾設(shè)計

利用光電耦合器的開關(guān)特性實現(xiàn)輸入和輸出信號的完全隔離，是抑制干擾的有效措施之一。光電耦合器如圖6所示。光電耦合器把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號源隔離開來， 也就是把“模擬地” 和“數(shù)字地” 斷開。由于光電耦合器具有很高的輸入／輸出絕緣電阻和較高地輸出阻抗，被測信號可通過光電耦合器獲得通路，而共模干擾信號由于不成回路而得到有效抑制， 因此，在PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場I／O信號經(jīng)光電耦合器隔離，與PLC系統(tǒng)本體分開，切斷了干擾噪聲的通道，解決了輸入輸出回路的抗干擾問題， 是系統(tǒng)調(diào)試方便，運行可靠。