變電所PLC測控系統抗干擾設計

1 引言

　　plc是專門為工業環境設計的控制裝置，一般不采取什么特殊措施，可以直接在工業環境下使用。但在地鐵等高可靠集中供電場所，供電系統中存在大功率電氣設備，這些設備在開斷、閉合時往往產生很強的干擾信號。干擾信號可以沿供電線路侵入plc系統、或者通過控制系統的前后向通道直接進入plc系統、或者以場的形式從空間輻射到cpu系統，嚴重影響著測控系統的可靠運行。本文分別就變電所plc測控系統的硬件和軟件提出抗干擾設計方案，有效地提高了測控系統的工作可靠性。

2 plc硬件抗干擾

　　2.1 電源側

　　抑制電源系統引入的干擾：電網的干擾、頻率的波動，將直接影響plc系統的可靠性和穩定性。如何抑制電源系統的干擾是提高plc的抗干擾性能的主要環節。加裝濾波、隔離、屏蔽、開關穩壓電源系統。設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從電源線傳導到系統中，為了抑制電網大容量設備起停引起電壓的波動，保持供電電壓的穩壓，可采用開關穩壓電源。分離供電系統：plc的控制器與i/o系統分別由各自的隔離變壓器供電，并與主電源分開，這樣當輸入輸出供電斷電時，不會影響到控制器的供電。

　　2.2 接地側

　　良好的接地是保證plc可靠工作的重要條件，可以避免偶然發生的電壓沖擊危害。接地線與機器的接地端相聯，基本單元必須接地，如果選用擴展單元，其接地點與基本單元接地點接在一起。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應給plc接以專用地線，接地線與動力設備(如電動機)的接地點應分開。另外接地電阻要小于10歐姆，接地線要粗，接地面積要大于2平方毫米，而且接地點最好靠近plc裝置，其間的距離要小于50米，接地線應避開強電回路，若無法避開時，應垂直相交，縮短平行走線的長度。實踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。

　　2.3 信號側

　　為了實現輸入輸出電路上的完全隔離，近年來在控制系統中光電耦合得到廣泛應用，已稱為防止干擾的最有效措施之一。光電耦合器具有以下特點：首先，由于是密封在一個管殼內，不會受到外界光的干擾；其次，由于靠光傳送信號，切斷了各部件電路之間地線的聯系；第三，發光二極管動態電阻非常小，而干擾源的內阻一般很大，能夠傳送到光電耦合器輸入輸出的干擾信號就變得很小；第四，光電耦合器的傳輸比和晶體管的放大倍數相比，一般很小，遠不如晶體管對干擾信號那么靈敏，而光電耦合器的發光二極管只有在通過一定的電流時才能發光。因此，即使在干擾電壓幅值較高的情況下，由于沒有足夠的能量，仍不能使發光二極管發光，從而可以有效地抑制掉干擾信號。

　　plc在硬件設計方面，首先對器件進行了嚴格的篩選和優化，而且在電路結構及工藝上采取了一些獨特的方式。例如，在輸入/輸出電路中都采用了光電隔離措施，做到電浮空，既方便接地，又提高了抗干擾性能；各個i/o端口除采用了常規模擬濾波外，還加上數字濾波；內部采用了電磁屏蔽措施，防止輻射干擾；采用了較先進的電源電路，以防止由電源回路串入的干擾信號。

3 plc軟件抗干擾

　　盡管在抗干擾設計中采用了硬件措施，但由于干擾信號產生的原因很復雜，且具有很大的隨機性，很難保證系統完全不受干擾。因此往往在硬件抗干擾措施的基礎上，采取軟件抗干擾技術加以補充，作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾方法簡單、靈活方便、耗費資源少，在微機測控系統中獲得了廣泛應用。

　　在軟件設計時，通常需要采用軟件容錯技術來提高監控系統的可靠性。軟件容錯技術的工作原理是允許系統出現錯誤或故障，當其發生時，系統會自動采取相應的容錯措施來消除它或減輕其對系統的影響，以保證系統的正常運行。

　　本文采用西門子s7系列plc討論基于rs-485網絡監控系統的軟件容錯技術。

　　3.1 數據通信的容錯技術

　　監控系統與現場各個測控分站通信是主從方式，采用固定幀長度或變幀長的報文格式來交換數據，即主站主動循環地向從站發送數據請求報文，當從站接受請求后，才響應數據報文。

　　為了消除由于線路干擾而產生的非法數據，監控系統接收到響應數據后，通過數據校驗來判斷數據的正確性。當監測到數據通信錯誤后，系統會自動將該幀數據丟失，并重新發送數據請求報文，來獲取分站響應的正確數據。

　　有時由于線路干擾、分站忙等原因，造成分站對主站的請求無響應，可采用有限次地定時重發數據請求報文，恢復正常通信，當重發1次請求報文后，該分站仍然無響應，系統就會報告錯誤信息，并開始與下一個分站的通信。對應部分程序如下：

cscl: l "pa100-cfcs" //因泰萊pa100單元－重發次數
l 1
>=i
jc txzd //重發次數大于等于2，跳至通信中斷。
txzd: l "pa100-zhno" //通信中斷子程序
l 1
-i
slw 3
lar1
l 1
opn "pa100-ztdb" //因泰萊pa100單元－通信狀態db
t dbb [ar1,p#0.0] //中斷，則對應分站通信狀態字節置1。

　　3.2 監控系統運行的容錯技術

　　監控系統在長時間運行時，可能出現系統錯誤，為了保證系統的正常可靠運行，需要使用軟件看門狗容錯技術，來自動檢測錯誤并消除錯誤，使恢復系統正常工作。

　　(1)內部看門狗的軟件實現：內部看門狗用于在cp340下發命令幀成功后，監測cp340接收數據正常與否，如果接收數據不成功，則判斷內部看門狗定時時間是否到，如果沒有到定時時間則說明數據還沒有接收完整，繼續接收數據，如果定時時間到，則說明由于干擾，接收數據環節出現錯誤，此時就要跳至超時處理程序，相關程序如下所示：

a "pa100-fscg" //如果cp340下發命令幀發送成功
l s5t#500ms //設置定時器t1,時間為500ms
ss t 1 //啟動定時器
.
.
.
an "pa100-jscg" //如果cp340接收數據不成功
jc csjc //跳至超時檢測程序
.
.
.
csjc: a t 1 //定時時間到
jc cscl //跳至超時處理程序
ju end
　(2)外部看門狗的軟件實現：當監控系統發生串口通信發生全部失效錯誤，即系統無任何響應時，可以通過外部看門狗將系統進行重新初始化，即先復位串口通信模塊，再重新打開串口以恢復正常通信。

a m 23.2 //位m23.2為1時，啟動t3定時器。
l s5t#500ms
ss t 3
an m 23.2 //位23.2為0時，改令牌。
jc glp
call "p_rcv" , db2 //位23.2為1時，復位系統接受功能塊。
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 //定時時間到，改令牌。
jc glp
ju end
glp: l 0 //改令牌程序，返回到正常輪詢。
t "pa100-token"
set
r t 3 //復位定時器t3
r m 23.2 //復位m23.2
end: nop 0

　　(3)plc掃描周期看門狗的軟件實現：plc掃描周期看門狗是提高系統可靠性的一個有效措施，它是在plc內部設置一個監視定時器。這是一個硬件時鐘，是為了監視plc的每次掃描時間而設置的，對它預先設定好規定時間，每個掃描周期都要監視掃描時間是否超過規定值。如果程序運行正常，則在每次掃描周期的公共處理階段對看門狗進行復位，避免由于plc在執行程序的過程中進入死循環，或者由于plc執行非預定的程序而造成系統故障，從而導致系統癱瘓。如果程序運行失常進入死循環，則看門狗得不到按時清零而超時溢出，將給出報警信號或停止plc工作。

4 結束語

　　本文詳細地介紹了變電所plc測控系統的抗干擾設計。針對變電所的工作環境提出了測控系統的抗干擾設計方案，這樣經過硬件與軟件的抗干擾設計就能有效地提高測控系統的工作可靠性。該系統已經投入使用，運行結果表明：所采取的抗干擾措施，有效地提高了系統運行的可靠性。