plc和伺服組成的運動控制系統(tǒng)中的抗干擾設計
摘 要 分析了各種干擾對plc和伺服驅動器作用的機理,從硬件和軟件兩個方面提出了相關的抗干擾措施。這些措施對于plc系統(tǒng)在運動控制中的應用有一定的實用價值。
關鍵詞 plc；servo；抗干擾；數(shù)字濾波
一概述
隨著工業(yè)控制技術的發(fā)展,plc和伺服技術的到了長足的發(fā)展。plc是專為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設計的計算機控制設備，且有可靠性高、硬件配套齊全、用戶程序簡單易學且維護方便等優(yōu)點而廣泛應用于各行各業(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)響應快、穩(wěn)態(tài)運行精度高、轉矩脈動小, 低速運行平滑等性能, 而且調速范圍較大，做為進給傳動裝置得到了廣泛的應用。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)中不用抗干擾設計或進行簡單的抗干擾設計就可以使系統(tǒng)安全可靠地運行。但在特別惡劣的應用環(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)行機構進行特別的抗干擾設計。為提高系統(tǒng)的可靠性,首先要認真分析相應的應用環(huán)境中各種可能產(chǎn)生干擾來源,在此基礎上選擇可靠性強的plc及相關模塊,從硬件的角度如工程設計、施工布線、使用維護等進行抗干擾設計,另外,還要有針對性地從軟件方面進行抗干擾設計。
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，導致控制系統(tǒng)混亂，執(zhí)行機構誤動作和網(wǎng)絡出錯，影響設備的正常運行。
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，以提高高頻共模力。
（2） 來自空間感應和輻射的干擾
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、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產(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,其分布極為復雜。只要plc控制系統(tǒng)處于輻射范圍內(nèi),其就會受到干擾?？刂葡到y(tǒng)受到干擾的程度和輻射的強弱和頻率有關。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,由電路感應產(chǎn)生干擾; ②對plc通信網(wǎng)絡的輻射,由通信線路的感應引入干擾。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應設有獨立、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，且屏蔽層應一端接地。plc要遠離干擾源，信號線若不能避開干擾源，應采用光纖電纜。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,信號電纜應按傳輸信號種類分層敷設,嚴禁同一電纜的不同導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,以減小電磁干擾。
在plc控制系統(tǒng)中,硬件上的抗干擾設計是基礎也是抑制干擾的根本的措施。除此之外,還可以在軟件設計上,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轉換后變?yōu)閿?shù)字量信號,存人plc中,再利用數(shù)字濾波程序對其進行處理,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,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,我們還應該在程序編制中采取軟件容錯技術。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,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:
①程序重復執(zhí)行技術: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的子程序進行系統(tǒng)的恢復。
③軟件延時:為確保重要的開關量輸人信號、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。伺服驅動器的抗干擾主要式防止干擾脈沖的輸入。
（1）伺服驅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動器。
（2）為了盡量減少伺服驅動器在沒有上位定位指令的時候將干擾信號輸入，在程序設計中要在沒有脈沖輸入時，將伺服驅動器的“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，屏蔽層要在伺服驅動器側可靠接地。
（4）如果條件允許，應采用伺服的速度控制模式和上位控制器構成閉環(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，并且在變頻器側良好接地；修改plc的控制程序，使伺服驅動器上的“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。
四結論
要提高設備的可靠性,一方面要求plc和伺服的生產(chǎn)廠家進一步提高產(chǎn)品的抗力;另一方面要求在工程設計、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)的抗力。
上一篇：濕熱試驗箱的用途
下一篇：真空干燥箱工作原理