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变电所PLC测控系统抗干扰设计

1 引言

  plc是专门为工业环境设计的控制装置,一般不采取什么特殊措施,可以直接在工业环境下使用。但在地铁等高可靠集中供电场所,供电系统中存在大功率电气设备,这些设备在开断、闭合时往往产生很强的干扰信号。干扰信号可以沿供电线路侵入plc系统、或者通过控制系统的前后向通道直接进入plc系统、或者以场的形式从空间辐射到cpu系统,严重影响着测控系统的可靠运行。本文分别就变电所plc测控系统的硬件和软件提出抗干扰设计方案,有效地提高了测控系统的工作可靠性。

2 plc硬件抗干扰

  2.1 电源侧

  抑制电源系统引入的干扰:电网的干扰、频率的波动,将直接影响plc系统的可靠性和稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高plc的抗干扰性能的主要环节。加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中,为了抑制电网大容量设备起停引起电压的波动,保持供电电压的稳压,可采用开关稳压电源。分离供电系统:plc的控制器与i/o系统分别由各自的隔离变压器供电,并与主电源分开,这样当输入输出供电断电时,不会影响到控制器的供电。

  2.2 接地侧

  良好的接地是保证plc可靠工作的重要条件,可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地线与机器的接地端相联,基本单元必须接地,如果选用扩展单元,其接地点与基本单元接地点接在一起。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰,应给plc接以专用地线,接地线与动力设备(如电动机)的接地点应分开。另外接地电阻要小于10欧姆,接地线要粗,接地面积要大于2平方毫米,而且接地点最好靠近plc装置,其间的距离要小于50米,接地线应避开强电回路,若无法避开时,应垂直相交,缩短平行走线的长度。实践证明,接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。

  2.3 信号侧

  为了实现输入输出电路上的完全隔离,近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用,已称为防止干扰的最有效措施之一。光电耦合器具有以下特点:首先,由于是密封在一个管壳内,不会受到外界光的干扰;其次,由于靠光传送信号,切断了各部件电路之间地线的联系;第三,发光二极管动态电阻非常小,而干扰源的内阻一般很大,能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四,光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比,一般很小,远不如晶体管对干扰信号那么灵敏,而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此,即使在干扰电压幅值较高的情况下,由于没有足够的能量,仍不能使发光二极管发光,从而可以有效地抑制掉干扰信号。

  plc在硬件设计方面,首先对器件进行了严格的筛选和优化,而且在电路结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如,在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施,做到电浮空,既方便接地,又提高了抗干扰性能;各个i/o端口除采用了常规模拟滤波外,还加上数字滤波;内部采用了电磁屏蔽措施,防止辐射干扰;采用了较先进的电源电路,以防止由电源回路串入的干扰信号。



3 plc软件抗干扰

  尽管在抗干扰设计中采用了硬件措施,但由于干扰信号产生的原因很复杂,且具有很大的随机性,很难保证系统完全不受干扰。因此往往在硬件抗干扰措施的基础上,采取软件抗干扰技术加以补充,作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰方法简单、灵活方便、耗费资源少,在微机测控系统中获得了广泛应用。

  在软件设计时,通常需要采用软件容错技术来提高监控系统的可靠性。软件容错技术的工作原理是允许系统出现错误或故障,当其发生时,系统会自动采取相应的容错措施来消除它或减轻其对系统的影响,以保证系统的正常运行。

  本文采用西门子s7系列plc讨论基于rs-485网络监控系统的软件容错技术。

  3.1 数据通信的容错技术

  监控系统与现场各个测控分站通信是主从方式,采用固定帧长度或变帧长的报文格式来交换数据,即主站主动循环地向从站发送数据请求报文,当从站接受请求后,才响应数据报文。

  为了消除由于线路干扰而产生的非法数据,监控系统接收到响应数据后,通过数据校验来判断数据的正确性。当监测到数据通信错误后,系统会自动将该帧数据丢失,并重新发送数据请求报文,来获取分站响应的正确数据。

  有时由于线路干扰、分站忙等原因,造成分站对主站的请求无响应,可采用有限次地定时重发数据请求报文,恢复正常通信,当重发1次请求报文后,该分站仍然无响应,系统就会报告错误信息,并开始与下一个分站的通信。对应部分程序如下:

cscl: l pa100-cfcs //因泰莱pa100单元-重发次数
l 1
=i
jc txzd //重发次数大于等于2,跳至通信中断。
txzd: l pa100-zhno //通信中断子程序
l 1
-i
slw 3
lar1
l 1
opn pa100-ztdb //因泰莱pa100单元-通信状态db
t dbb [ar1,p#0.0] //中断,则对应分站通信状态字节置1。

  3.2 监控系统运行的容错技术

  监控系统在长时间运行时,可能出现系统错误,为了保证系统的正常可靠运行,需要使用软件看门狗容错技术,来自动检测错误并消除错误,使恢复系统正常工作。

  (1)内部看门狗的软件实现:内部看门狗用于在cp340下发命令帧成功后,监测cp340接收数据正常与否,如果接收数据不成功,则判断内部看门狗定时时间是否到,如果没有到定时时间则说明数据还没有接收完整,继续接收数据,如果定时时间到,则说明由于干扰,接收数据环节出现错误,此时就要跳至超时处理程序,相关程序如下所示:

a pa100-fscg //如果cp340下发命令帧发送成功
l s5t#500ms //设置定时器t1,时间为500ms
ss t 1 //启动定时器
.
.
.
an pa100-jscg //如果cp340接收数据不成功
jc csjc //跳至超时检测程序
.
.
.
csjc: a t 1 //定时时间到
jc cscl //跳至超时处理程序
ju end

  (2)外部看门狗的软件实现:当监控系统发生串口通信发生全部失效错误,即系统无任何响应时,可以通过外部看门狗将系统进行重新初始化,即先复位串口通信模块,再重新打开串口以恢复正常通信。

a m 23.2 //位m23.2为1时,启动t3定时器。
l s5t#500ms
ss t 3
an m 23.2 //位23.2为0时,改令牌。
jc glp
call p_rcv , db2 //位23.2为1时,复位系统接受功能块。
en_r :=false
r :=true
laddr :=256
db_no :=4
dbb_no:=0
ndr :=pa100-jscg
error :=pa100-jserror
len :=pa100-jslen
status:=pa100-jsstatus
a t 3 //定时时间到,改令牌。
jc glp
ju end
glp: l 0 //改令牌程序,返回到正常轮询。
t pa100-token
set
r t 3 //复位定时器t3
r m 23.2 //复位m23.2
end: nop 0

  (3)plc扫描周期看门狗的软件实现:plc扫描周期看门狗是提高系统可靠性的一个有效措施,它是在plc内部设置一个监视定时器。这是一个硬件时钟,是为了监视plc的每次扫描时间而设置的,对它预先设定好规定时间,每个扫描周期都要监视扫描时间是否超过规定值。如果程序运行正常,则在每次扫描周期的公共处理阶段对看门狗进行复位,避免由于plc在执行程序的过程中进入死循环,或者由于plc执行非预定的程序而造成系统故障,从而导致系统瘫痪。如果程序运行失常进入死循环,则看门狗得不到按时清零而超时溢出,将给出报警信号或停止plc工作。



4 结束语

  本文详细地介绍了变电所plc测控系统的抗干扰设计。针对变电所的工作环境提出了测控系统的抗干扰设计方案,这样经过硬件与软件的抗干扰设计就能有效地提高测控系统的工作可靠性。该系统已经投入使用,运行结果表明:所采取的抗干扰措施,有效地提高了系统运行的可靠性。

参考文献

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  [3] 朱丽兰,卢鸣谷.可编程序控制器[m].北京:国防工业出版社,1995.
  [4] 胡学林.可编程控制器教程(基础篇)[m].北京:电子工业出版社,2003.
  [5] 陈治国,邓先明.煤矿供电综合自动系统的容错技术[j].煤矿安全,2007.

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