一 概述

　　隨著產(chǎn)業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展,PLC和伺服技術(shù)的到了長(zhǎng)足的發(fā)展。PLC是專為產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備，且有可靠性高、硬件配套齊全、用戶程序簡(jiǎn)單易學(xué)且維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中；交流伺服電機(jī)控制采用了磁場(chǎng)定向矢量控制原理, 具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行精度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小, 低速運(yùn)行平滑等性能, 而且調(diào)速范圍較大，做為進(jìn)給傳動(dòng)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(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)型機(jī)床的首選。

　　PLC和伺服都是專門為產(chǎn)業(yè)控制環(huán)境而設(shè)計(jì)的,因此本身可靠性強(qiáng),所以在一般的控制系統(tǒng)中不用抗干擾設(shè)計(jì)或進(jìn)行簡(jiǎn)單的抗干擾設(shè)計(jì)就可以使系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。但在特別惡劣的應(yīng)用環(huán)境中,如強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、劇烈的沖擊和振動(dòng)環(huán)境, 控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)并不一定能可靠地工作;另外,在對(duì)可靠性要求特別高的場(chǎng)合,就要對(duì)控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行特別的抗干擾設(shè)計(jì)。為進(jìn)步系統(tǒng)的可靠性,首先要認(rèn)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(qiáng)的PLC及相關(guān)模塊,從硬件的角度如工程設(shè)計(jì)、施工布線、使用維護(hù)等進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì),另外,還要有針對(duì)性地從軟件方面進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。

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(jī)構(gòu)誤動(dòng)作和網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)，影響設(shè)備的正常運(yùn)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本身的題目;外部干擾,包括導(dǎo)線傳進(jìn)的干擾（由電源線、控制線各信號(hào)線等外部線引進(jìn)的干擾） 、空間感應(yīng)和輻射干擾、地線傳進(jìn)的干擾。在現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)業(yè)實(shí)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。

　?。?）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(jìn)進(jìn)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(dòng)機(jī)、交直流傳動(dòng)裝置、變頻器、家用電器等等,這些設(shè)備的啟、停會(huì)引起電網(wǎng)的電流電壓波動(dòng)，產(chǎn)生的幅值很大浪涌和高次諧波。假如使用PLC系統(tǒng)的交流供電電源，在干擾較強(qiáng)或可靠性要求很高的場(chǎng)合，可以在PLC的交流電源輸進(jìn)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;也可以在低級(jí)、次級(jí)繞組之間加屏蔽層，并將它們和鐵芯一起接地，以進(jìn)步高頻共模干擾能力。

　?。?） 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(chǎng)和磁場(chǎng),這些電場(chǎng)、磁場(chǎng)無不影響著控制系統(tǒng)。電磁場(chǎng)（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(dá)、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(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng),所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)反過來又影響控制系統(tǒng)本身。這些電磁場(chǎng)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(huì)受到干擾?？刂葡到y(tǒng)受到干擾的程度和輻射的強(qiáng)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(duì)PLC內(nèi)部的輻射,由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾; ②對(duì)PLC通訊網(wǎng)絡(luò)的輻射,由通訊線路的感應(yīng)引進(jìn)干擾。針對(duì)此種干擾，屏蔽、濾波和接地是三種主要的方法。

　?。?） 由信號(hào)線引進(jìn)的干擾

　　相鄰信號(hào)線上的串?dāng)_信號(hào)會(huì)在被串單線路上產(chǎn)生噪聲或在被串線路對(duì)上產(chǎn)生耦合信號(hào),即在被串線路上有串?dāng)_信號(hào)存在。由信號(hào)引進(jìn)干擾會(huì)引起I/ O 接口信號(hào)工作異常和丈量精度大大降低,嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng),還將導(dǎo)致信號(hào)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(dòng)和死機(jī)。

　?。?） 由地線引進(jìn)的干擾。

　　接地的目的有兩個(gè):一是為了安全;二是為了抑制干擾地線的連接方式不當(dāng),會(huì)引起地環(huán)流。地環(huán)流在屏蔽線內(nèi)部產(chǎn)生電磁場(chǎng),進(jìn)而干擾屏蔽線,造成信號(hào)的失真。下圖為正確的接地方式，果斷避免串聯(lián)接地。

　?。?）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(jī)架間的間隔、接口模塊的安裝位置,1/O模塊量、機(jī)架與安裝部分的連接電阻等都有明確的要求，安裝時(shí)必須按所用的產(chǎn)品的安裝要求進(jìn)行。PLC應(yīng)設(shè)有獨(dú)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(gè)接地體川。PLC電源線、I/O線、動(dòng)力線最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的間隔。模擬量輸進(jìn)/輸出線最好加屏蔽，且屏蔽層應(yīng)一端接地。PLC要闊別干擾源，信號(hào)線若不能避開干擾源，應(yīng)采用光纖電纜。在室外安裝時(shí)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(dòng)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(shí)際工程中,盡量采用銅帶鎧裝屏蔽電力電纜,降低動(dòng)力線產(chǎn)生的電磁干擾,這種方法的實(shí)際效果在很多場(chǎng)合被證實(shí)是非常有效的;二是對(duì)不同類型的信號(hào)分別由不同電纜傳輸,信號(hào)電纜應(yīng)按傳輸信號(hào)種類分層敷設(shè),嚴(yán)禁同一電纜的不同導(dǎo)線同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào),避免信號(hào)線與動(dòng)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(jì)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(jì)上,可以采用數(shù)字濾波和軟件容錯(cuò)等經(jīng)濟(jì)有效的方法,進(jìn)一步進(jìn)步系統(tǒng)的可靠性。
   
　　（1）數(shù)字濾波
   
　　現(xiàn)場(chǎng)的模擬量信號(hào)經(jīng)A /D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量信號(hào),存人PLC中,再利用數(shù)字濾波程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理,濾往噪聲信號(hào)從而獲得所需的有用信號(hào)。工程上的數(shù)字濾波方法很多,常用的有:均勻值濾波法、中間值濾波法、加權(quán)濾波、滑動(dòng)濾波法等。

　　（2）軟件容錯(cuò)

　　盡管采用了各種抗干擾技術(shù),但不能夠完全杜盡干擾,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(duì)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(cuò)技術(shù)。所謂容錯(cuò),就是在干擾不能避免的情況下,萬一其對(duì)控制系統(tǒng)造成大的干擾而使系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí),控制系統(tǒng)能對(duì)其及時(shí)的進(jìn)行反應(yīng),并根據(jù)出錯(cuò)時(shí)的狀態(tài)決定系統(tǒng)下一步補(bǔ)救措施。主要有以下容錯(cuò)技術(shù):

　?、俪绦蛑貜?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(chǎng)故障或錯(cuò)誤,在某些情況下可以重新執(zhí)行被干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)故障的原由于干擾,否則是干擾以外的原因,此時(shí)應(yīng)輸出軟件失?。?Fault）并停機(jī)、報(bào)警。

　?、趯?duì)死循環(huán)作處理:在程序中設(shè)計(jì)了定時(shí)狗（WDT）程序,當(dāng)定時(shí)超過原定時(shí)間時(shí),可以斷定系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)了死循環(huán)。當(dāng)控制系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)了死循環(huán),可以根據(jù)程序的判定,決定下一步是停機(jī)還是進(jìn)進(jìn)相關(guān)的子程序進(jìn)行系統(tǒng)的恢復(fù)。

　?、圮浖訒r(shí):為確保重要的開關(guān)量輸人信號(hào)、易抖動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)和控制回路數(shù)據(jù)采集的正確性,可采用軟件延時(shí)15ms—20ms,并對(duì)同一信號(hào)多次讀取,結(jié)果一致,才確認(rèn)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(shí)，伺服系統(tǒng)和PLC還有不同之處。伺服驅(qū)動(dòng)器的抗干擾主要式防止干擾脈沖的輸進(jìn)。
   
　?。?）伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸進(jìn)端口分為開路集電極方式和差分輸進(jìn)方式。由于開路集電極方式的抗干擾能力比差分輸進(jìn)方式的差的多，所以，選型的時(shí)候盡量選取含有差分輸進(jìn)方式的伺服驅(qū)動(dòng)器。

　?。?）為了盡量減少伺服驅(qū)動(dòng)器在沒有上位定位指令的時(shí)候?qū)⒏蓴_信號(hào)輸進(jìn)，在程序設(shè)計(jì)中要在沒有脈沖輸進(jìn)時(shí)，將伺服驅(qū)動(dòng)器的“脈沖輸進(jìn)禁止”信號(hào)激活，這樣能有效的減少干擾脈沖的輸進(jìn)。

　?。?）伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)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(dòng)器側(cè)可靠接地。

　?。?）假如條件答應(yīng)，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(shí)例

　　某公司生產(chǎn)了一種采用簡(jiǎn)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(jī)帶動(dòng)絲杠進(jìn)行定位控制，Z軸為液壓進(jìn)給方式，主軸為變頻器帶動(dòng)普通的三相異步電動(dòng)機(jī)通過減速箱控制。在實(shí)際的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)定位不正確。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該機(jī)床的伺服電機(jī)在沒有脈沖指令的時(shí)候仍然存在脈沖輸進(jìn)，且伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)的瞬間，情況更為嚴(yán)重。所以判定此系統(tǒng)存在嚴(yán)重的干擾。

　　經(jīng)過以上的分析，擬在PLC的電源處增加一個(gè)輸進(jìn)濾波器，PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)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(dòng)器的電源處增加一個(gè)輸進(jìn)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(hào)線和動(dòng)力線分別敷設(shè)在不同的走線槽中并且間隔200cm；變頻器的輸進(jìn)端增加一個(gè)輸進(jìn)濾波器，把變頻器和電動(dòng)機(jī)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(dòng)器上的“脈沖輸進(jìn)禁止”信號(hào)在上位控制器沒有脈沖輸出的時(shí)候就生效。

　　經(jīng)過改進(jìn)，機(jī)床的性能完全符合要求。

四 結(jié)論
 
　　要進(jìn)步設(shè)備的可靠性,一方面要求PLC和伺服的生產(chǎn)廠家進(jìn)一步進(jìn)步產(chǎn)品的抗干擾能力;另一方面要求在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中,多方配合才能完善解決干擾題目,有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。