1 引言
在工業(yè)plc控制系統(tǒng)中，遠程i/o是一種高速局域網(wǎng)絡(luò)，實際上就是以總線的方式將輸入/輸出設(shè)備和中央控制器(cpu)連接起來，從而實現(xiàn)對輸入/輸出設(shè)備的遠程控制的一種解決方案。總線方式有多種，各大公司開發(fā)的產(chǎn)品各有特點，例如有的公司采用profibus-dp現(xiàn)場總線，通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線, 有的公司則采用75ω同軸電纜和catv介質(zhì)技術(shù)。雖然應(yīng)用的介質(zhì)各有差別，但對系統(tǒng)的要求基本一致，主要有以下幾個方面:
(1) 保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦?
保證數(shù)據(jù)的準確高速傳輸是對遠程i/o的基本要求。大部分數(shù)據(jù)在rio處理器(在plc的前端)和rio適配器(在遠程分站)之間傳送，對i/o遠程分站小于1ms。
(2) 對時間要求嚴格控制的可預(yù)測速度
作為一個高速局域網(wǎng)絡(luò)，遠程i/o必須支持時間要求很嚴格的應(yīng)用場合。plc采用一致性通訊方法服務(wù)于每個節(jié)點，i/o分站總是在確定的時間范圍內(nèi)更新，在用戶邏輯程序段號的基礎(chǔ)上對該時間范圍內(nèi)進行計算。為保證信息不會產(chǎn)生沖突，每個節(jié)點只在一個確定的時間范圍內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)上進行傳送，而不是幾個節(jié)點的數(shù)據(jù)同時傳送。
(3) 對系統(tǒng)要求有嚴格的抗干擾措施
這一點在工程的設(shè)計和實施階段顯得非常重要。因為遠程i/o連接的是設(shè)備層，而且plc與遠程站之間的信息傳輸是在嚴格的時間段內(nèi)進行的，因此任何干擾都有可能造成輸入輸出設(shè)備的狀態(tài)和動作指令不能正確的傳送和執(zhí)行，從而造成系統(tǒng)誤動作，甚至發(fā)生設(shè)備事故。
在實際應(yīng)用中，人們對遠程i/o系統(tǒng)的信號干擾問題重視不夠，使得系統(tǒng)進入調(diào)試階段時對出現(xiàn)的各種干擾問題，處理起來非常頭痛。下面以施耐德公司的quantum系列遠程i/o為例，闡述如何防止系統(tǒng)的干擾問題。
某燒結(jié)廠2×90m2燒結(jié)機擴容改造工程plc控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。5套plc(1-5pc)控制系統(tǒng)分別負責(zé)原料配料，熔劑，混料，燒結(jié)，成品等工藝系統(tǒng)的檢測和控制，之間通過modbusplas總線進行連接。每套plc帶有若干遠程i/o分站，分站與主站的通訊采用了rio高速局域網(wǎng)絡(luò)(1.544mbit/slan)，通訊介質(zhì)為75ω同軸電纜。
2 干擾原因的分析
該系統(tǒng)運行的環(huán)境比較惡劣，工藝設(shè)備中有大量的變頻器，粉塵，噪音，震動等。該系統(tǒng)正常工作時處于連鎖運行狀態(tài)，每臺設(shè)備的運行狀態(tài)均取決于它的前后設(shè)備的運行狀態(tài)。如圖2所示，從3#圓筒到混—13皮帶，均受3pc的3#遠程站控制，而這段設(shè)備的自動啟動和停止則由混—3皮帶和5#圓筒的狀態(tài)決定，即混—3皮帶啟動，則3#圓筒至混—13皮帶自動順序啟動—;混3皮帶停機，則3#圓筒至混—13皮帶順序停機。
圖1 plc系統(tǒng)配置圖
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圖2 每臺設(shè)備的運行狀態(tài)
在系統(tǒng)調(diào)試過程中，其3pc(燒結(jié)成品控制系統(tǒng))的3#站控制的3#圓筒至混—13皮帶出現(xiàn)頻繁自動啟動/停止的現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場分析，在排除了設(shè)備本身的原因后，認為主要是系統(tǒng)的干擾導(dǎo)致遠程i/o的通訊不正常而造成的。這些干擾可能有以下原因引起:
(1) 大量的變頻器的存在
由于系統(tǒng)工藝設(shè)備中大量的變頻器的存在，其產(chǎn)生的奇次諧波干擾非常嚴重，加上該系統(tǒng)施工時遠程電纜的敷設(shè)基本沒按規(guī)范施工，不僅和電力電纜同敷在一處橋架中，而且與遠程站連接的分支器、終端器等也沒有進行專門的屏蔽處理，這可能導(dǎo)致變頻器的奇次諧波進入遠程i/o系統(tǒng)引起遠程i/o的通訊錯誤。
(2) 該系統(tǒng)的接地也存在問題
一般的plc系統(tǒng)要求單獨接地，以避免電氣系統(tǒng)的各種干擾通過接地線進入plc(siemens公司的控制系統(tǒng)不要求plc系統(tǒng)的接地與電氣系統(tǒng)的接地嚴格分開，但是據(jù)我查閱有關(guān)資料得知，這么做的前提是電氣系統(tǒng)的變壓器中性點是不能接地的)。該系統(tǒng)在施工時plc接地極和電氣接地極雖然是分別埋設(shè)的，但由于長時間電氣人員日常維護時電氣線路改動的隨意性太大，實際上兩個接地極已經(jīng)在多個節(jié)點連在了一起。由于2個接地極之間存在著微小的電位差，由此形成的在接地線間的電流也進入了plc系統(tǒng)形成干擾。
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(3) 到各遠程站的分支器安裝位置不合理
為了防止信號的輻射引起的干擾，分支器應(yīng)安裝在遠離柜體的位置，并用專門的金屬屏蔽盒進行屏蔽。實際上分支器均安裝在plc柜內(nèi)，而且沒有采取單獨的屏蔽措施。
(4) 分站電纜的長度不符合要求
分站電纜的長度要求在2.5-50m范圍內(nèi)，太短信號會在分支器產(chǎn)生反射，這會在分站適配器中產(chǎn)生誤差;而太長會造成信號衰減，同樣會產(chǎn)生信號誤差。實際上由于分支器安裝在plc柜內(nèi)，分站電纜只有1~1.5m長。
(5) 信號反射
在遠程i/o的始端和末端要加裝好75ω終端電阻，以吸收末端信號的多余能量，防止造成信號反射。
制作電纜的終端接頭時，必須使用供貨廠家提供的專用工具規(guī)范化制作。同軸電纜與rio處理器、rio適配器和分支器之間的連接都必須使用專用的終端接頭，由于數(shù)量比較多，因此這一工作對于保證系統(tǒng)通訊的可靠性也是很關(guān)鍵的，任何一個位置的電纜接頭做不好，都會影響得到整個系統(tǒng)的通訊狀態(tài)。
(6) 產(chǎn)生干擾的其它原因。
例如無線通訊(手機、對講機等)引起的干擾、供電電網(wǎng)波動引起的干擾等。
由于以上各種干擾的存在，使得3pc的cpu主站和3#遠程站的通訊處于時斷時續(xù)的狀態(tài)。在通訊中斷的時段內(nèi)，3#站的3#圓筒至混—13皮帶由于收不到混—3皮帶的運行信息而誤使3#皮帶停機，引起3#圓筒至混—13皮帶自動順序停車。當(dāng)通訊恢復(fù)以后，3#皮帶的運行信息被正常接收，3#圓筒至混—13皮帶又重新自動啟動。由此形成了該段工藝設(shè)備頻繁自動啟動/停止的現(xiàn)象。
3 排除干擾的措施
采取的措施:經(jīng)過認真分析，作者認為雖然存在著以上這么多的可能性，造成遠程i/o系統(tǒng)干擾的原因主要有2個方面:變頻系統(tǒng)干擾和系統(tǒng)接地。因此從這2方面入手采取以下措施:
(1) 變頻系統(tǒng)干擾采取的措施
?將遠程i/o同軸電纜與電力電纜及控制電纜徹底分開，單獨敷設(shè)，并全部采用穿管敷設(shè);
?電纜路由盡量遠離變頻器等高頻干擾源;
?所有的分支器由原來的plc柜內(nèi)安裝移到遠離柜體的位置單獨安裝，并用專門的金屬屏蔽盒進行屏蔽;
?分站電纜的長度統(tǒng)一取3m長
這一點一般的設(shè)計人員容易疏忽，一般都把分支器設(shè)計在plc柜內(nèi)安裝，分支器與plc機架的距離很小，它們之間的連接電纜也就在1m左右，這就容易造成信號反射。
?在遠程i/o的始端和末端重新加裝75ω終端電阻。
(2) 重新設(shè)計布置接地系統(tǒng)
?接地極采用2塊900×900×3的紫銅板，埋深2.5m;
?接地線采用70mm2的多股軟銅線;
?所有的plc機架及plc接地端子均用絕緣板做到與柜體良好絕緣;
?系統(tǒng)接地電阻必須小于4ω(實測1.24ω);
?通訊電纜選在rio處理器端單端接地，接地端為離rio處理器最近的分支器。
采取了以上措施后，該系統(tǒng)的plc遠程i/o通訊恢復(fù)正常。系統(tǒng)運行至今一年多，整個plc系統(tǒng)再沒有出現(xiàn)類似的故障現(xiàn)象。
4 結(jié)束語
plc遠程i/o通訊的抗干擾問題比較復(fù)雜，出現(xiàn)的故障現(xiàn)象也是多種多樣，令人頭痛。但產(chǎn)生的原因殊途同歸，基本上都是由沒嚴格按規(guī)范設(shè)計施工、強高次諧波干擾或接地系統(tǒng)的問題引起的。了解到這些，就會少走彎路。