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摘　要　分析了各種干擾對PLC和伺服驅(qū)動器作用的機理,從硬件和軟件兩個方面提出了相關(guān)的抗干擾措施。這些措施對于PLC系統(tǒng)在運動控制中的應(yīng)用有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞　PLC；Servo；抗干擾；數(shù)字濾波

一概述

隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展,PLC和伺服技術(shù)的到了長足的發(fā)展。PLC是專為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計的計算機控制設(shè)備，且有可靠性高、硬件配套齊全、用戶程序簡單易學(xué)且維護方便等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中；交流伺服電機控制采用了磁場定向矢量控制原理, 具有動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)運行精度高、轉(zhuǎn)矩脈動小, 低速運行平滑等性能, 而且調(diào)速范圍較大，做為進給傳動裝置得到了廣泛的應(yīng)用。PLC一般具備脈沖輸出接口，所以以PLC和脈沖式伺服組成的簡易數(shù)控系統(tǒng)是經(jīng)濟型機床的優(yōu)選。

PLC和伺服都是專門為工業(yè)控制環(huán)境而設(shè)計的,因此本身可靠性強,所以在一般的控制系統(tǒng)中不用抗干擾設(shè)計或進行簡單的抗干擾設(shè)計就可以使系統(tǒng)安全可靠地運行。但在特別惡劣的應(yīng)用環(huán)境中,如強電場、強磁場、劇烈的沖擊和振動環(huán)境, 控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)并不一定能可靠地工作;另外,在對可靠性要求特別高的場合,就要對控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)進行特別的抗干擾設(shè)計。為提高系統(tǒng)的可靠性,首先要認真分析相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中各種可能產(chǎn)生干擾來源,在此基礎(chǔ)上選擇可靠性強的PLC及相關(guān)模塊,從硬件的角度如工程設(shè)計、施工布線、使用維護等進行抗干擾設(shè)計,另外,還要有針對性地從軟件方面進行抗干擾設(shè)計。


二系統(tǒng)中主要的干擾來源和抑制措施

干擾的來源眾多,破壞了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 系統(tǒng)的不穩(wěn)定的主要表現(xiàn)為內(nèi)部信息被破壞，導(dǎo)致控制系統(tǒng)混亂，執(zhí)行機構(gòu)誤動作和網(wǎng)絡(luò)出錯，影響設(shè)備的正常運行。

2.1 PLC

從形式上講, PLC控制系統(tǒng)的干擾分為兩類:

內(nèi)部干擾、外部干擾。

內(nèi)部干擾,是PLC本身的問題;

外部干擾,包括導(dǎo)線傳入的干擾（由電源線、控制線各信號線等外部線引入的干擾） 、空間感應(yīng)和輻射干擾、地線傳入的干擾。

在現(xiàn)實的工業(yè)實際情況中，內(nèi)部干擾的情況比較少見。下面首先分析來自外部的干擾。

（1）選用性能優(yōu)良的電源，采取措施抑制電網(wǎng)干擾

在PLC控制系統(tǒng)中，電源占有極其重要的地位，也是干擾進入PLC的主要途徑之一。電網(wǎng)線路上掛接了各種用電設(shè)備,如大功率電動機、交直流傳動裝置、變頻器、家用電器等等,這些設(shè)備的啟、停會引起電網(wǎng)的電流電壓波動，產(chǎn)生的幅值很大浪涌和高次諧波。如果使用PLC系統(tǒng)的交流供電電源，在干擾較強或可靠性要求很高的場合，可以在PLC的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器，屏蔽層應(yīng)可靠接地;也可以在初級、次級繞組之間加屏蔽層，并將它們和鐵芯一起接地，以提高高頻共模干擾能力。

（2） 來自空間感應(yīng)和輻射的干擾

大多PLC控制系統(tǒng)所處的空間中有各種各樣的電場和磁場,這些電場、磁場無不影響著控制系統(tǒng)。電磁場（EMI）主要由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的;屏蔽效果差的PLC控制系統(tǒng)本身也會產(chǎn)生電磁場,所產(chǎn)生的電磁場反過來又影響控制系統(tǒng)本身。這些電磁場統(tǒng)稱為輻射干擾,其分布極為復(fù)雜。只要PLC控制系統(tǒng)處于輻射范圍內(nèi),其就會受到干擾。控制系統(tǒng)受到干擾的程度和輻射的強弱和頻率有關(guān)。輻射通過以下兩種途徑影響PLC控制系統(tǒng): ①直接對PLC內(nèi)部的輻射,由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾; ②對PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射,由通信線路的感應(yīng)引入干擾。針對此種干擾，屏蔽、濾波和接地是三種主要的方法。

（3） 由信號線引入的干擾

相鄰信號線上的串擾信號會在被串單線路上產(chǎn)生噪聲或在被串線路對上產(chǎn)生耦合信號,即在被串線路上有串擾信號存在。由信號引入干擾會引起I/ O 接口信號工作異常和測量精度大大降低,嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng),還將導(dǎo)致信號間互相干擾,引起共地系統(tǒng)總地線回流,造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機。

（4） 由地線引入的干擾。

接地的目的有兩個:一是為了安全;二是為了抑制干擾地線的連接方式不當,會引起地環(huán)流。

地環(huán)流在屏蔽線內(nèi)部產(chǎn)生電磁場,進而干擾屏蔽線,造成信號的失真。下圖為正確的接地方式，堅決避免串聯(lián)接地。

（5）不科學(xué)安裝和布線

不同類型的PLC有不同的安裝規(guī)范，如CPU與電源的安裝位置、機架間的距離、接口模塊的安裝位置,1/O模塊量、機架與安裝部分的連接電阻等都有明確的要求，安裝時必須按所用的產(chǎn)品的安裝要求進行。PLC應(yīng)設(shè)有獨立、良好的接地裝置，接地電阻要小于100Ω，接地線不能超過20m,PLC不能與其它設(shè)備共用一個接地體。PLC電源線、I/O線、動力線*好放在各自的電纜槽或電纜管中，線中心距要保持至少大于300mm的距離。模擬量輸入/輸出線*好加屏蔽，且屏蔽層應(yīng)一端接地。PLC要遠離干擾源，信號線若不能避開干擾源，應(yīng)采用光纖電纜。在室外安裝時須采取防雷擊的措施，比如在兩端接地的金屬管線中走線。



為了減少動力電纜電磁輻射干擾,尤其變頻裝置饋電電纜引起的電磁干擾,決定采用兩條基本原則:

其一是在實際工程中,盡量采用銅帶鎧裝屏蔽電力電纜,降低動力線產(chǎn)生的電磁干擾,這種方法的實際效果在許多場合被證明是非常有效的;

二是對不同類型的信號分別由不同電纜傳輸,信號電纜應(yīng)按傳輸信號種類分層敷設(shè),嚴禁同一電纜的不同導(dǎo)線同時傳送動力電源和信號,避免信號線與動力電纜平行敷設(shè),以減小電磁干擾。

在PLC控制系統(tǒng)中,硬件上的抗干擾設(shè)計是基礎(chǔ)也是抑制干擾的根本的措施。除此之外,還可以在軟件設(shè)計上,可以采用數(shù)字濾波和軟件容錯等經(jīng)濟有效的方法,進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

（1）數(shù)字濾波

現(xiàn)場的模擬量信號經(jīng)A /D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量信號,存人PLC中,再利用數(shù)字濾波程序?qū)ζ溥M行處理,濾去噪聲信號從而獲得所需的有用信號。工程上的數(shù)字濾波方法很多,常用的有:平均值濾波法、中間值濾波法、加權(quán)濾波、滑動濾波法等。

（2）軟件容錯

盡管采用了各種抗干擾技術(shù),但不能夠杜絕干擾,干擾或多或少、或大或小總是存在的,并且在特定的條件下還有可能對控制系統(tǒng)造成大的干擾,因此,我們還應(yīng)該在程序編制中采取軟件容錯技術(shù)。所謂容錯,就是在干擾不能避免的情況下,萬一其對控制系統(tǒng)造成大的干擾而使系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,控制系統(tǒng)能對其及時的進行反應(yīng),并根據(jù)出錯時的狀態(tài)決定系統(tǒng)下一步補救措施。主要有以下容錯技術(shù):

①程序重復(fù)執(zhí)行技術(shù):在程序執(zhí)行過程中,一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場故障或錯誤,在某些情況下可以重新執(zhí)行**擾的先行指令若干次。若重復(fù)執(zhí)行成功,說明引起控制系統(tǒng)故障的原因為干擾,否則是干擾以外的原因,此時應(yīng)輸出軟件失敗（ Fault）并停機、報警。

②對死循環(huán)作處理:在程序中設(shè)計了定時狗（WDT）程序,當定時超過原定時間時,可以斷定系統(tǒng)進入了死循環(huán)。當控制系統(tǒng)進入了死循環(huán),可以根據(jù)程序的判斷,決定下一步是停機還是進入相關(guān)的子程序進行系統(tǒng)的恢復(fù)。

③軟件延時:為確保重要的開關(guān)量輸人信號、易抖動信號的檢測和控制回路數(shù)據(jù)采集的正確性,可采用軟件延時15ms―20ms,并對同一信號多次讀取,結(jié)果一致,才確認有效,這樣可消除偶發(fā)干擾的影響。

2.2 伺服

伺服系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)類似，PLC的外部干擾源和抗干擾措施同樣適用于伺服系統(tǒng)。同時，伺服系統(tǒng)和PLC還有不同之處。伺服驅(qū)動器的抗干擾主要式防止干擾脈沖的輸入。

（1）伺服驅(qū)動器的脈沖輸入端口分為開路集電極方式和差分輸入方式。由于開路集電極方式的抗干擾能力比差分輸入方式的差的多，所以，選型的時候盡量選取含有差分輸入方式的伺服驅(qū)動器。

（2）為了盡量減少伺服驅(qū)動器在沒有上位定位指令的時候?qū)⒏蓴_信號輸入，在程序設(shè)計中要在沒有脈沖輸入時，將伺服驅(qū)動器的“脈沖輸入禁止”信號激活，這樣能有效的減少干擾脈沖的輸入。

（3）伺服驅(qū)動器和伺服電機之間的連線要使用屏蔽線，線纜的撥開屏蔽層的部分不能大于75mm，屏蔽層要在伺服驅(qū)動器側(cè)可靠接地。

（4）如果條件允許，應(yīng)采用伺服的速度控制模式和上位控制器構(gòu)成閉環(huán)控制。

三實例

某公司生產(chǎn)了一種采用簡易的數(shù)控鉆床，控制系統(tǒng)為三菱公司的Fx系列的PLC，X、Y軸為伺服電機帶動絲杠進行定位控制，Z軸為液壓進給方式，主軸為變頻器帶動普通的三相異步電動機通過減速箱控制。在實際的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)定位不準確。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該機床的伺服電機在沒有脈沖指令的時候仍然存在脈沖輸入，且伺服驅(qū)動器收到的脈沖數(shù)和上位控制器PLC發(fā)出的脈沖數(shù)不相等，尤其是在變頻器啟動的瞬間，情況更為嚴重。所以判斷此系統(tǒng)存在嚴重的干擾。

經(jīng)過以上的分析，擬在PLC的電源處增加一個輸入濾波器，PLC與伺服驅(qū)動器的脈沖信號連線采用屏蔽雙絞線連接，并且使這根線盡量的短；在伺服驅(qū)動器的電源處增加一個輸入濾波器；在直流電磁閥處增加續(xù)流二極管，在交流接觸器處增加浪涌吸收器；信號線和動力線分別敷設(shè)在不同的走線槽中并且間隔200cm；變頻器的輸入端增加一個輸入濾波器，把變頻器和電動機的連接線改用屏蔽電纜，并且在變頻器側(cè)良好接地；修改PLC的控制程序，使伺服驅(qū)動器上的“脈沖輸入禁止”信號在上位控制器沒有脈沖輸出的時候就生效。

經(jīng)過改進，機床的性能符合要求。


四結(jié)論

要提高設(shè)備的可靠性,一方面要求PLC和伺服的生產(chǎn)廠家進一步提高產(chǎn)品的抗干擾能力;另一方面要求在工程設(shè)計、安裝施工和使用維護中,多方配合才能完善解決干擾問題,有效地增強系統(tǒng)的抗干擾能力。