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耐特生产可兼容ST-200系PLC的干扰分析及抗干扰措施

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发表于 2018-10-15 16:22:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
可编程逻辑控制器是一种集成化的小型智能控制系统。是专门应用于工业环境的一种可进行二次开发的控制器。它集成化程度高抗干扰能力强。

通常通过数字量或模拟量的输入,用以控制数字量或模拟量输出,达到控制现场的设备的工作。其可靠的抗干扰设计使其在现场的复杂的干扰条件下也能够稳定地工作。但在工业现场中,存在着各式各样的干扰。如大电流浪涌、强磁场干扰、高电压浪涌、高频率脉冲串干扰、等等各种干扰使得PLC在现场的长期使用受到影响。一些大中型的系统都会设计一定的容错机制,但在现场中,这些干扰还是有办法去减低或消除的。以下主要讨论各种干扰的产生原因及相应的抗干扰措施
干扰的类型

在工业环境中,可编程控制器所受的干扰主要分为传导型和辐射型二中。顾名思义,传导型干扰就是通过电气线路进入PLC系统的干扰信号;辐射型干扰是通过空间感应进入PLC系统的干扰信号。

1. 传导型干扰    通过各种电气线路进入PLC系统,包括供电干扰、强电干扰和接地干扰。

1) 供电干扰    PLC系统本身一般都配备有专用的电源模块,用于给PLC系统提供直流稳压电源,如西门子公司的S7系列PLC,提供不同容量的电源模块给PLC提供稳定的直流电源。虽然如此,但从交流供电网络传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性,并可能经过整流后传入PLC控制器,影响PLC的运行。此种干扰信号主要来源于附近大容量电气设备的开、停,负载的突然变化,供电系统中断路器对供电线路的开断和接通,雷击或雷电感应产生的冲击电流等,在严重时甚至使PLC控制器的RAM存贮器中的程序丢失或紊乱,造成难以估量的损失。

2)强电干扰    线路中继电器、接触器等感性负载,其控制电压一般是交流220V,感性负载在断电时会产生过电压和冲击电流,影响驱动电路,还会通过电磁感应干扰其它线路,甚至会进入PLC控制器,影响PLC的正常功能。

3)接地干扰    接地方式不当,容易形成接地环路,产生接地干扰。如果接地点相隔较远时,则不同位置的接地点的电位不相等,从而形成接地电位差。

2. 辐射型干扰    通过空间感应进入PLC系统的干扰。PLC控制系统一般安装于电气控制柜内,同时它的输入输出信号线常与动力线路在同一桥架内并排敷设,PLC系统和其输入输出信号线附近必定存在有较强的磁场、电场、静电场或电磁波辐射源,在安装中若未认真考虑干扰的问题,常会由于干扰的存在,影响PLC对控制信号的采集和其控制功能的正常发挥。特别是大功率感性负载的通断,引起磁场的急剧变化,接触器触点产生的电火花产生高频辐射对PLC系统的影响。

三. 抗干扰的主要方法

1.供电方面  主要的措施是稳压、滤波、隔离。

1) 选用质量好、工作可靠的电子交流稳压器,用以给PLC系统提供稳定的交流电压,稳压器不仅可以提供稳定的电压,同时可以消除高频脉冲的干扰。

2) 增加低通滤波器,用来滤去交流电源中的高频分量或脉冲电流。对于直流供电,可用电容滤波,消除干扰对PLC系统的影响。

3) 增加隔离变压器。在电源接入PLC系统前加装隔离变压器,其初级屏蔽层接中性线,二次侧屏蔽层与PLC系统共地,用以阻断干扰的传导通路,并抑制干扰信号的强度。同时配合使用低通滤波器.

4)  选用稳定的交流电源。PLC系统的电源与动力线路分别引自不同的变压器,可以避免大感性负载的启停对供电电源的影响。实际中可能只有一台变压器,可以采用从配电母排上引专用线的方法,尽量减小干扰的影响。

2. 强电干扰方面    主要采取以下措施:

1)在电感性负载旁并联一阻容吸收装置或二极管、稳压管,用来吸收瞬时过电压。

2)采用光电耦合的办法进行隔离。

3.接地干扰    通常采用单点接地,避免接地点相隔太远。在接地点相隔较远时,增加导线截面,以减小电阻。

4. 辐射型干扰

1)PLC系统安装于单独的箱体中,制作箱体的材料使用薄铁板或钢板等导磁材料,可以防止外界磁场的干扰。

2)对于PLC模拟信号线和通讯电缆,使用屏蔽线,并将屏蔽层单端接地。

3)讲究布线方式。屏蔽线尽可能远离大功率,尽量避开动力线路单独敷设,若与动力线路不能分开布设时,可使用镀锌管敷设,既可防止干扰,又可保护线路

干扰的存在是多种多样的,干扰的消除方式也有很多方法。如以上的干扰的解决办法使得在现场的布线及安装中如能尽可能地考虑进去,那么你的系统的可靠性将会得到极大的提高。
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 楼主| 发表于 2018-10-18 15:51:50 | 显示全部楼层

耐特研发国产CPU224XP可兼容西门子软件的结构特点及干扰途径

随着工业应用的范围越来越大,工业产品的抗干扰问题越来越引起人们的重视

工业产品应用不仅要在硬件上做各方面的抗干扰处理,同时在软体方面,也需要进行抗干扰的问题的处理

以下,主要探讨工业产品(或PLC)软件上的抗干扰

一、工控(或PLC)软件的结构特点及干扰途径
在不同的工业控制系统中,工控软件虽然完成的功能不同,但就其结构来说,一般
具有如下特点:
  * 实时性:工业控制系统中有些事件的发生具有随机性,要求工控软件能够及时地
处理随机事件。
  * 周期性:工控软件在完成系统的初始化工作后,随之进入主程序循环。在执行主
程序过程中,如有中断申请,则在执行完相应的中断服务程序后,继续主程序循
环。
  * 相关性:工控软件由多个任务模块组成,各模块配合工作,相互关联,相互依
存。
  * 人为性:工控软件允许操作人员干预系统的运行,调整系统的工作参数。
在理想情况下,工控软件可以正常执行。但在工业现场环境的干扰下,工控软件的
周期性、相关性及实时性受到破坏,程序无法正常执行,导致工业控制系统的失
控,其表现是:
  * 程序计数器PC值发生变化,破坏了程序的正常运行。PC值被干扰后的数据是随机
的,因此引起程序执行混乱,在PC值的错误引导下,程序执行一系列毫无意义的指
令,最后常常进入一个毫无意义的“死循环”中,使系统失去控制。
  * 输入/输出接口状态受到干扰,破坏了工控软件的相关性和周期性,造成系统资源
被某个任务模块独占,使系统发生“死锁”。
  * 数据采集误差加大。干扰侵入系统的前向通道,叠加在信号上,导致数据采集误
差加大。特别是当前向通道的传感器接口是小电压信号输入时,此现象更加严重。
  * RAM数据区受到干扰发生变化。根据干扰窜入渠道、受干扰数据性质的不同,系统
受损坏的状况不同,有的造成数值误差,有的使控制失灵,有的改变程序状态,有
的改变某些部件(如定时器/计数器、串行口等)的工作状态等。笔者在研制电力远
程抄表系统时就曾遇到因现场强电磁干扰而造成RAM数据经常性被破坏的情况。
  * 控制状态失灵。在工业控制系统中,控制状态的输出常常是依据某些条件状态的
输入和条件状态的逻辑处理结果而定。在这些环节中,由于干扰的侵入,会造成条
件状态错误,致使输出控制误差加大,甚至控制失常。
  二、程序运行失常的软件对策
系统受到干扰侵害致使PC值改变,造成程序运行失常。对于程序运行失常的软件对
策主要是发现失常状态后及时引导系统恢复原始状态。
  1.设置监视跟踪定时器
使用定时中断来监视程序运行状态。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个
循环的时间,在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作。这样,只要
程序正常运行,定时器不会出现定时中断。而当程序运行失常,不能及时刷新定时
器时间常数而导致定时中断,利用定时中断服务程序将系统复位。在8031应用系统
中作为软件抗干扰的一个事例,具体做法是:
  * 使用8155的定时器所产生的“溢出”信号作为8031的外部中断源INT1。用555定时
器作为8155中定时器的外部时钟输入;
  * 8155定时器的定时值稍大于主程序的正常循环时间;
  * 在主程序中,每循环一次,对8155定时器的定时常数进行刷新;
  * 在主控程序开始处,对硬件复位还是定时中断产生的自动恢复进行分类判断处
理。
  2.设置软件陷井
当PC失控,造成程序“乱飞”而不断进入非程序区,只要在非程序区设置拦截措
施,使程序进入陷井,然后强迫使程序进入初始状态。例如Z80指令系统中数据FFH
正好对应为重新起动指令RST 56,该指令使程序自动转入0038H入口地址。因此,在
Z80 CPU构成的应用系统中,只要将所有非程序区全部置成FFH用以拦截失控程序。
并在0038H处设置转移指令,使程序转至抗干扰处理程序。
  三、系统“死锁”的软件对策
在工业控制系统中,A/D、D/A,显示等输入/输出接口电路是必不可少的。这些接口
与CPU之间采用查询或中断方式工作,而这些设备或接口对干扰很敏感,干扰信号一
旦破坏了某一接口的状态字后,就会导致CPU误认为该接口有输入/输出请求而停止
现行工作,转去执行相应的输入/输出服务程序。但由于该接口本身并没有输入/输
出数据,从而使CPU资源被该服务程序长期占用,而不释放,其它任务程序无法执
行,使整个系统出现“死锁”。对这种干扰造成的“死锁”问题,在软件编程中,
可采用“时间片”的方法来解决。其具体步骤为:
  * 根据不同的输入/输出外设对时间的要求,分配相应的最大正常的输入/输出时
间。
  * 在每一输入/输出的任务模块中,加入相应的超时判断程序。这样当干扰破坏了接
口的状态造成CPU误操作后,由于该外设准备好信息长期无效,经一定时间后,系统
会从该外设的服务程序中自动返回,保证整个软件的周期性不受影响,从而避免
“死锁”情况的发生。
  四、数据采集误差的软件对策
根据数据受干扰性质及干扰后果的不同,采取的软件对策各不相同,没有固定的模
式。对于实时数据采集系统,为了消除传感器通道中的干扰信号,在硬件措施上常
采取有源或无源RLC网络,构成模拟滤波器对信号实现频率滤波。同样,运用CPU的
运算、控制功能也可以实现频率滤波,完成模拟滤波器类似的功能,这就是数字滤
波。在许多数字信号处理专著中都有专门论述,可以参考。随着计算机运算速度的
提高,数字滤波在实时数据采集系统中的应用将愈来愈广。
在一般数据采集系统中,可以采用一些简单的数值、逻辑运算处理来达到滤波的效
果。下面介绍几种常用的方法。
  1.算术平均值法
对于一点数据连续采样多次,计算其算术平均值,以其平均值作为该点采样结果。
这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。一般3~5次平均即可。
  2.比较取舍法
当控制系统测量结果的个别数据存在偏差时,为了剔除个别错误数据,可采用比较
取舍法,即对每个采样点连续采样几次,根据所采数据的变化规律,确定取舍,从
而剔除偏差数据。例如,“采三取二”即对每个采样点连续采样三次,取两次相同的
数据为采样结果。
  3.中值法
根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况,对一个采样点连续采集多个信号,并对
这些采样值进行比较,取中值作为该点的采样结果。
  4.一阶递推数字滤波法
这种方法是利用软件完成RC低通滤波器的算法,实现用软件方法代替硬件RC滤波
器。一阶递推数字滤波公式为Yn=QXn+(1-Q)Yn-1
式中Q -数字滤波器时间常数;
Xn-第n次采样时的滤波器输入;
Yn-第n次采样时的滤波器输出。
采用软件滤波器对消除数据采集中的误差可以获得满意的效果。但应注意,选取何
种方法应根据信号的变化规律选择。
  五、RAM数据出错的软件对策
在实时控制过程中,干扰造成比较严重的危害之一就是冲毁RAM中的数据,由于RAM
中保存的是各种原始数据、标志、变量等,如果被破坏,会造成系统出错或无法运
行,根据数据被冲毁的程度,一般可分为三类:
  * 整个RAM数据被冲毁;
  * RAM中某片数据被冲毁;
  * 个别数据被冲毁。
  在工业控制系统中,RAM的大部分内容是为了进行分析、比较而临时存放的,不允许
丢失的数据只占极少部分。在这种情况下,除了这些不允许丢失的数据外,其余大
部分内容允许短时间被破坏,最多只引起系统的一个很短时间的波动,很快能自动
恢复正常。因此,在工控软件中,只要注意对少数不允许丢失的数据保护,一般常
用的方法有“校验法” 和“设标法”。这两种方法各有千秋,校验法比较繁锁,但
查错的可信度高。设标法简单,但对数据表中个别数据冲毁的情况,查错则无难为
力。在编程中一般应综合使用,其具体做法为:
  * 将RAM工作区重要区域的始端和尾端各设置一个标志码“0” 或“1”;
  * 对RAM中固定不变的数据表格设置校验字。
在程序的执行过程中,每隔一定的时间通过事先设计的查错程序来检查其各标志码
是否正常,如果不正常,则利用数据冗余技术通过抗干扰处理程序来进行修正;冗
余数据表的一般设计原则是:
  * 各数据表应相互远离分散设置,减少冗余数据同时被冲毁的概率。
  * 数据表应尽可能远离栈区,减少由于操作错误造堆栈被成数据冲的可能 。
上述对RAM区域的恢复处理方法,在不同的应用系统中应根据的具体情况进行取舍。
  六、控制状态失常的软件对策
在条件控制系统中,人们关注的问题是能否确保正常的控制状态。如果干扰进入系
统,会影响各种控制条件、造成控制输出失误。为了确保系统安全可以采取下述软
件抗干扰措施:
  1.软件冗余
对于条件控制系统,将控制条件的一次采样、处理控制输出,改为循环采样、处理
控制输出。这种方法具有良好的抗偶然因素干扰作用。
  2.设置当前输出状态寄存单元
当干扰侵入输出通道造成输出状态破坏时,系统可以及时查询当前输出状态寄存单
元的输出状态信息,及时纠正错误的输出状态。
  3.设置自检程序
在计算机系统内的特定部位或某些内存单元设状态标志,在运行中不断循环测试,
以保证系统中信息存储、传输、运算的高可*性。
上述介绍的几种有关工控软件的抗干扰编程方法是笔者在工作实践中的体会。在设
计工控软件的过程中只要采取相应的抗干扰措施,就可获得较好的抗干扰效果。
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