PLC远程I/O的抗干扰问题

引言

　　plc远程i/o通讯的抗干扰问题比较复杂，出现的故障现象也是多种多样，令人头痛。但产生的原因殊途同归，基本上都是由没严格按规范设计施工、强高次谐波干扰或接地系统的问题引起的。了解到这些，就会少走弯路。

1 简介

　　在工业plc控制系统中，远程i/o是一种高速局域网络，实际上就是以总线的方式将输入/输出设备和中央控制器（cpu）连接起来，从而实现对输入/输出设备的远程控制的一种解决方案。总线方式有多种，各大公司开发的产品各有特点，例如有的公司采用profibus-dp现场总线，通讯介质为屏蔽双绞线，有的公司则采用75ω同轴电缆和catv介质技术。虽然应用的介质各有差别，但对系统的要求基本一致，主要有以下几个方面：

　　（1）保证数据传输的一致性

　　保证数据的准确高速传输是对远程i/o的基本要求。大部分数据在rio处理器（在plc的前端）和rio适配器（在远程分站）之间传送，对i/o远程分站小于1ms。

　　（2）对时间要求严格控制的可预测速度

　　作为一个高速局域网络，远程i/o必须支持时间要求很严格的应用场合。plc采用一致性通讯方法服务于每个节点，i/o分站总是在确定的时间范围内更新，在用户逻辑程序段号的基础上对该时间范围内进行计算。为保证信息不会产生冲突，每个节点只在一个确定的时间范围内在网络上进行传送，而不是几个节点的数据同时传送。

　　（3）对系统要求有严格的抗干扰措施

　　这一点在工程的设计和实施阶段显得非常重要。因为远程i/o连接的是设备层，而且plc与远程站之间的信息传输是在严格的时间段内进行的，因此任何干扰都有可能造成输入输出设备的状态和动作指令不能正确的传送和执行，从而造成系统误动作，甚至发生设备事故。

　　在实际应用中，人们对远程i/o系统的信号干扰问题重视不够，使得系统进入调试阶段时对出现的各种干扰问题，处理起来非常头痛。

下面以施耐德公司的quantum系列远程i/o为例，阐述如何防止系统的干扰问题。

　　某烧结厂2×90m2烧结机扩容改造工程plc控制系统，其结构如图1所示。5套plc（1-5pc）控制系统分别负责原料配料，熔剂，混料，烧结，成品等工艺系统的检测和控制，之间通过modbusplas总线进行连接。每套plc带有若干远程i/o分站，分站与主站的通讯采用了rio高速局域网络（1.544mbit/slan），通讯介质为75ω同轴电缆。

2 干扰原因的分析

　　该系统运行的环境比较恶劣，工艺设备中有大量的变频器，粉尘，噪音，震动等。该系统正常工作时处于连锁运行状态，每台设备的运行状态均取决于它的前后设备的运行状态。如图2所示，从3#圆筒到混—13皮带，均受3pc的3#远程站控制，而这段设备的自动启动和停止则由混—3皮带和5#圆筒的状态决定，即混—3皮带启动，则3#圆筒至混—13皮带自动顺序启动—;混3皮带停机，则3#圆筒至混—13皮带顺序停机。

　　在系统调试过程中，其3pc（烧结成品控制系统）的3#站控制的3#圆筒至混—13皮带出现频繁自动启动/停止的现象。经过现场分析，在排除了设备本身的原因后，认为主要是系统的干扰导致远程i/o的通讯不正常而造成的。这些干扰可能有以下原因引起：

　　（1）大量的变频器的存在

　　由于系统工艺设备中大量的变频器的存在，其产生的奇次谐波干扰非常严重，加上该系统施工时远程电缆的敷设基本没按规范施工，不仅和电力电缆同敷在一处桥架中，而且与远程站连接的分支器、终端器等也没有进行专门的屏蔽处理，这可能导致变频器的奇次谐波进入远程i/o系统引起远程i/o的通讯错误。

　　（2）该系统的接地也存在问题

　　一般的plc系统要求单独接地，以避免电气系统的各种干扰通过接地线进入plc（siemens公司的控制系统不要求plc系统的接地与电气系统的接地严格分开，但是据我查阅有关资料得知，这么做的前提是电气系统的变压器中性点是不能接地的）。该系统在施工时plc接地极和电气接地极虽然是分别埋设的，但由于长时间电气人员日常维护时电气线路改动的随意性太大，实际上两个接地极已经在多个节点连在了一起。由于2个接地极之间存在着微小的电位差，由此形成的在接地线间的电流也进入了plc系统形成干扰。

　　（3）到各远程站的分支器安装位置不合理

　　为了防止信号的辐射引起的干扰，分支器应安装在远离柜体的位置，并用专门的金属屏蔽盒进行屏蔽。实际上分支器均安装在plc柜内，而且没有采取单独的屏蔽措施。

　　（4）分站电缆的长度不符合要求

　　分站电缆的长度要求在2.5-50m范围内，太短信号会在分支器产生反射，这会在分站适配器中产生误差;而太长会造成信号衰减，同样会产生信号误差。实际上由于分支器安装在plc柜内，分站电缆只有1~1.5m长。

　　（5）信号反射

　　在远程i/o的始端和末端要加装好75ω终端电阻，以吸收末端信号的多余能量，防止造成信号反射。

　　制作电缆的终端接头时，必须使用供货厂家提供的专用工具规范化制作。同轴电缆与rio处理器、rio适配器和分支器之间的连接都必须使用专用的终端接头，由于数量比较多，因此这一工作对于保证系统通讯的可靠性也是很关键的，任何一个位置的电缆接头做不好，都会影响得到整个系统的通讯状态。

　　（6）产生干扰的其它原因。

　　例如无线通讯（手机、对讲机等）引起的干扰、供电电网波动引起的干扰等。

　　由于以上各种干扰的存在，使得3pc的cpu主站和3#远程站的通讯处于时断时续的状态。在通讯中断的时段内，3#站的3#圆筒至混—13皮带由于收不到混—3皮带的运行信息而误使3#皮带停机，引起3#圆筒至混—13皮带自动顺序停车。当通讯恢复以后，3#皮带的运行信息被正常接收，3#圆筒至混—13皮带又重新自动启动。由此形成了该段工艺设备频繁自动启动/停止的现象。

3 排除干扰的措施

　　采取的措施：经过认真分析，作者认为虽然存在着以上这么多的可能性，造成远程i/o系统干扰的原因主要有2个方面：变频系统干扰和系统接地。因此从这2方面入手采取以下措施：

　　（1）变频系统干扰采取的措施

　　·将远程i/o同轴电缆与电力电缆及控制电缆彻底分开，单独敷设，并全部采用穿管敷设;

　　·电缆路由尽量远离变频器等高频干扰源;

　　·所有的分支器由原来的plc柜内安装移到远离柜体的位置单独安装，并用专门的金属屏蔽盒进行屏蔽;

　　·分站电缆的长度统一取3m长

　　这一点一般的设计人员容易疏忽，一般都把分支器设计在plc柜内安装，分支器与plc机架的距离很小，它们之间的连接电缆也就在1m左右，这就容易造成信号反射。

　　·在远程i/o的始端和末端重新加装75ω终端电阻。

　（2）重新设计布置接地系统

　　·接地极采用2块900×900×3的紫铜板，埋深2.5m;

　　·接地线采用70mm2的多股软铜线;

　　·所有的plc机架及plc接地端子均用绝缘板做到与柜体良好绝缘;

　　·系统接地电阻必须小于4ω（实测1.24ω）;

　　·通讯电缆选在rio处理器端单端接地，接地端为离rio处理器最近的分支器。

　　采取了以上措施后，该系统的plc远程i/o通讯恢复正常。系统运行至今一年多，整个plc系统再没有出现类似的故障现象。

4 结束语

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