电解加工机床PLC控制系统的抗干扰技术研究.pdf

第 9期 2 0 1 1年 9月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l ar M a c hi n e Too l＆ Aut o m a t i c M a n uf a c t ur i ng Te c h ni q ue NO． 9 Se p．2 01 1 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 1 1 0 0 0 6 7 0 3 电解加工机床 P L C控制系统的抗干扰技术研究 陈远 龙 ， 占化 斌 ， 万胜 美 合肥工业大学 机械与汽车工程学院， 合肥 2 3 0 0 0 9 摘要 以 P L C控制 系统在数控 电解加工机床 中的实际应用为例 ， 深入分析影响 P L C控制 系统正常工 作 的干扰 因素 ， 并 结合 电解加 工机 床 P L C控 制 系统 抗 干扰 设 计 ， 分 别从 P L C电 源抗 干 扰 、 输 入 输 出 信 号 抗 干扰 、 接 地抗 干扰 、 软件 编 程抗 干扰 、 光 电耦 合 抗 干 扰 等 方 面 ， 提 出一 系列抗 干 扰措 施 。 实践 证 明， 这些抗干扰方法和措施切 实有效 ， 使得整个 P L C控制 系统运行更加稳定、 可靠。 关键 词 电解加 工机床 ； P L C控 制 系统 ； 抗 干扰 中 图分类 号 T H1 6 1 ； T P 2 7 1 文献 标识 码 A S t u d y o n An t i - j a mmi n g o f E C M M a c h i n e T o o l w i t h P L C C o n t r o l S y s t e m CHEN Yu a n l o n g，ZHAN Hu a b i n，W AN S h e n g - me i S c h o o l o f Me c h a n i c a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， He f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H e f e i 2 3 0 0 0 9 ，C h i n a Abs t r ac t An a l yz i n g d e e p l y t h e i n t e r f e r e n c e di s t u r bi n g PLC c o n t r o l s y s t e m ’ S n o r ma l wo r k o f NC ECM ma c h i n e t o o l ， a s e r i e s o f a n t i - j a mmi n g me a s u r e s a r e s u g g e s t e d i n t h e a n t i - j a mmi n g d e s i g n o f E C M ma - c h i n e t o o 1 ． S u c h a s i n t h e a n t i - j a mmi n g o f P L C p o w e r s u p p l y ， i n p u t a n d o u t p u t s i g n a l s ， g r o u n d ， s o f t w a r e pr o g r a mmi n g a n d o p t i c a l c o u p l i n g， e t c ．Th e s e a n t i i n t e r f e r e n c e me t h o ds a n d me a s u r e s a r e pr o v e d e f f e c t i v e，a nd i t ma ke s t h e e n t i r e PLC c o n t r o l s y s t e m mo r e s t a b l e a n d r e l i a b l e ． Ke y w o r d s E C M ma c h i n e t o o l ； P L C c o n t r o l s y s t e m；a n t i - j a mmi n g O 引言 P L C是 专 为工 业 环 境 而 设 计 的 控 制 装 置 ， 为 提 高 P L C工作的可靠性 ， 其本 身在软硬件上均采取 了 一 系列抗干扰措施， 在一般 的工厂环境 下完全可 以 可靠的工作 。电解加工机床控制系统工作在潮湿 并且有大量腐蚀性气体和 复杂电磁 干扰的环境 中， 其受到的干扰较 强。因此 ， 数控 电解 加工机床 的控 制 系统一 般选 择 P L C控 制 系统 。 1 电解加工 P L C控制 系统 的干扰来 源 电解加工不 同于传 统的加工方式 ， 它伴随着大 电流和高压电解液 。电解加工电流根据要求从几安 培 到几万 安 培 不 等 ， 提 供 大 电 流 的 电解 加 工 电源 的 起停 会产 生较 强 电磁 干 扰 ， 影 响对 整个 P L C控 制 系统的工作。此外 ， 在 电解加工控制系统 中， 伺服驱 动器和车间中其他大功率设备的工作也会产生强电 磁 干扰 ， 影 响系统 的稳定 运行 。 1 ． 1 来 自电源 的干 扰 P L C控制系统的正常供电电源均由电网供电。由 于电网覆盖范围很广， 它受到空间各种电磁干扰的影 响 ， 感 应 出感应 电压和感应 电流 。在整个 电路 中 ， 电网 内部的变化 ， 大型电力设备的启停、 交直流传动装置引 起的谐波、 闸刀开关产生的浪涌， 电网短路暂态等都会 通过输电线传到电源。在工业环境下， P L C控制系统 7 0 ％ 的干扰是通过 电源耦合进来 的 。 1 ． 2信号 线 引入 的干扰 与 P L C输人输 出模块相连接 的信号线 ， 除传输 有效的各类信 息外 ， 总会有 外部 干扰信号 的侵入 。 信号线受空间电磁辐射 的干扰 ， 这 种干扰是来 自信 号线外部的感应干扰 ， 该种干扰往往比较严重， 例如 信号 间互 相干 扰 ， 引起 共 地 系统 总 线 回流 ， 造 成 逻 辑 数据变化 ， 误动作和死机 。 1 ． 3接地 系统 混乱 导致 的干 扰 接地可以有效提 高系统 的抗 干扰能力 ， 用正 确 的方法接地既能抑制电磁干扰的影响又能抑制系统 内的设备向外 界发出 电磁干扰 ； 但是 如果接地方式 不当， 反而会引入更多的干扰信号 ， 影响 P L C控制系 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 2 1 作者简介 陈远龙 1 9 6 4 一 ， 男 ， 安徽滁州人 ， 合肥工业 大学特种 加工研究所 教授 ， 工 学博士 ， 研 究方 向为 特种加工工 艺及设 备 ， Ema il c h e n y u a n l o n g s i n a ． c o in； z h a n b i n 6 4 8 6 1 6 3 ． c o m o 6 8 组合机 床 与 自动化 加 工技术 第 9期 统 的正常 _T作 。 2 电解加工控制 系统的抗干扰措施 为保 证 电解加 工 P L C控制 系 统在 工业 环 境 下免 受电磁干扰 ， 保证系统可靠稳定的工作 ， 在控制系统 的设 计 阶 段 就 必 须 考 虑 从 三 个 方 面 采 取 抗 干 扰 措 施 ①抑制或切断干扰源 ； ②阻断或衰减电磁干扰的 耦合通道 ； ③提高装置和系统的抗干扰能力 。 2 ． 1 P L C控 制 系统 电源的抗 干扰 措施 在 P L C控 制 系 统 中 ， 电源 的地 位 极 其 重 要 。在 电解 加工 控 制系 统 中 ， 电源主要 指 P L C电源 、 伺 服驱 动 器 电源和触 摸屏 电源 等 。电 网 的干扰 窜 入 主要 是 通 过 P L C系 统 的供 电 电 源 、 变 送 器 供 电 电 源 和 与 P L C有直接电气连接的仪表供电电源耦合进入。因 此 在设 计控 制 系统 时除 选择 隔离 性 能好 的 P L C电源 外 ， 还 就 电 网干 扰 窜 入 实 施 一 系列 抗 干扰 措 施 。在 干 扰较 强 或 对 可 靠性 要 求 较 高 的 场 合 ， 可 以 在 P L C 的交 流 电 源输 入 端 加 接 抗 干 扰 电 源 或 净 化 稳 压 电 源 ， 也 可 以在 P L C的输人 端设 置 电源 滤波 电路 ， 它 可 以吸 收掉 电源 的大部 分 “ 毛刺 ” 。 如 图 1所示 ， 在设 计 电解加 工 P L C控制 系 统 时 ， 根据系统 对可 靠性 的要 求 ， 在 把 电 网电源 在接 人 P L C电源之 前 ， 一 般 选 用 隔 离 屏 蔽 变 压 器 对 电网 电 源进 行屏蔽 变 压 ， 并 且 要 求 变 压 器 的 容 量 应 比实 际 需要大 1 ． 2～1 ． 5 倍左右。同时还要求变压器的屏蔽 层接 地 良好 ， 次 级线 圈 连接 采 用 双绞 线 ， 以减 少 电源 线问 干扰 。另 外 ， 在 隔 离 屏 蔽 变 压 器 之 后 加 装 一 个 稳压滤波器 ， 这样干扰信号在经过一级隔离屏蔽之 后又 经过 二级 滤 波将 会 大 大 减 弱 ， 从 而 增 强 了控 制 系统 中 P L C电源供 电 的可靠 性 。图 2为 电解 加工 控 制系统交流伺服驱动器电源抗干扰措施。首先将 电 源通 过 E MI 滤 波 器 ， 然 后 将 滤 波 后 的 电源 通 过 隔离 屏蔽变压器 ， 最后才引入交流伺服驱动器 。 隔离 屏蔽 变 压器 DN 厂 二 - 3 8 0 V ～ 一 兰 P LC j 图 1 P LC 电源 抗 干 扰 处 理 图 源 ， 然 后再通 过 开 关 电 源得 到触 摸 屏 所 需 要 的 直 流 2 4 V的电压 。开关 电源 具有 一 定 的屏 蔽 和 抗 干 扰作 用 ， 直 接为触 摸屏 专用 HM I 电源供 电。 隔离屏蔽变压器 图 3 触 摸 屏 电源 抗 干 扰 处 理 图 2 ． 2输入输 出信 号的抗 干扰 措施 为防止 输入 、 输 出信 号受 到 干扰 ， 首先 在 硬 件 上 应选用绝缘型 I ／ O模块 ； 其次是 P L C电源线 ， 输入信 号线 ， 输 出信号线 ， 交 流线 、 直流线都应尽量分开布 线 ， 开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线 ， 且 后 者采用 屏 蔽 线 。 开关 量信 号线 多 采用 双 绞线 ， 双 绞线 中电流方 向相 反 ， 大小 相 等 ， 可将 感 应 电流 引 起 的噪声互 相抵 消 。 输入信号线之 间存在差模干扰 ， 可以利用输入 模块滤波来 减少干扰， 而输入线与大地间 的共模干 扰 可通过 控制器 的接地 来 抑 制 。在输 入 端 有感 性 负 载时， 为了防止电路信号突变而产生感应电势 ， 可采 用硬件的可靠性容错和容差设计技术 ， 对于交流输 入信号 ， 可在负载两端并联电容 c和电阻 R， 对于直 流输入信号 ， 可并接续流二极管。 此 外 ， 在 干扰较 强 的场 合 ， 为 防止 干扰 通 过输 入 输 出信 号线 窜 人 P L C， 一 般 加 装 中 间 继 电器 进 行 隔 离 。如 图 4所 示 ， 在 电解 加 工 机 床 限 位控 制 电路 的设 计 时 ， 考 虑到 接 近开 关 在 电磁 环境 下 工作 ， 为 防 止电磁干扰从输入信号线窜入 P L C， 故加装中间继电 器 进行 隔离 。 上限位 下限位 加工限位 复位 图 4 P LC 限 位 输 入信 号经 过 中 间继 电器 隔离 电路 图 图 2 伺服驱动器电源抗干扰图 如图 3所示 ， 在电解加工控制系统中， 触摸屏 的 电源 与 P L C、 交 流伺 服 系统 的 电源 一样 也 要 采 取 一 定的抗干扰措施。在该系统中 ， 首 先将外界 3 8 0 V电 源通 过 隔离 屏蔽 变 压器 得 到 比较 稳 定 的 2 2 0 V 的 电 在 交 流 感 性 负 载 场 合 ， 当负 载 较 大 时， 感性 负载的起停 会产生很强 的浪 涌 和谐波 ， 会对其 它元件产生损坏并对 整 个 控制 系 统 产 生 干 扰 。 在 该 种 情 况 下 ， 一 般在感性 负载两端接浪涌 吸收器 ， 浪 涌吸收器越接近负载 ， 抗干扰效果越好。 如图 5所示 ， 在 电解加工机床伺服 电机 的制 动回路 中， 为降低干扰 ， 浪涌吸收器 L Y1 吸收来 自制动线 圈产生的浪涌和谐波 ， 保证制动 回路 可靠稳定 的运 行 。 2 0 1 1年 9月 陈远龙 ， 等电解加工机床 P L C控制系统的抗干扰技术研究 6 9 急停 S B 5 电机 内邵 制 动线 圈 图 5浪涌吸收器 L Y 1抗干扰 图 2 ． 3 接 地抗 干扰 措施 控制系统接地有两个 目的， 一方面是为了安全 ， 另 一方 面 是 为 了 抑 制 干 扰 。但 是 如 果 接 地 方 式 不 当， 可能会引入更多的干扰信号 ， 使 P L C系统无法正 常 工作 。 系统的接地方式分为浮地方式 、 直接接地 和电 容接地。对于 P L C控制 系统而言 ， 它属于高速低电 平控制装置， 因此采 用直接接地方 式。P L C控 制系 统 的 接 地 主 要 有 下 列 几 种 信 号 地 、 交 流地 、 屏 蔽 地 和保护地。信 号地是指输入端元件传感器 的地 ； 交 流地是交流供 电电源的 N线， 其接地铜板与其他接 地 铜板 应 分开 ； 屏 蔽 地 是 为 防止 电磁 感 应 而 设 置 的 外壳或金属丝 网， 通过专 门的铜 导线 与接地 铜板相 连 ； 保 护地是 将 设 备 的外 壳 接 地 用 以 防止 设 备 漏 电 保护人身安全。 接地 系统混 乱 对 P L C系统 的干 扰 是在 不 同接 地 点之 间存 在 电位差 ， 导 致 环 路 电流 的 产 生 ， 进 而 影 响 整个系统 的工作 。因此在信号源接地 时， 电缆 的屏 蔽层应在 信号侧 单点 接地 ； 信号源 不接地 时 ， 应在 P L C侧将屏蔽层接地 ； 信号线中间有接头时 ， 屏蔽层 应 牢 固连 接 并 进 行 绝 缘 处 理 ， 避 免 多 点 接 地 。如 果 两端都接地 ， 就存在 电位差 ， 会 有电流流过屏 蔽层 ， 通过屏蔽层与芯线之 间的耦合 ， 干扰信号 回路 。柜 体接地是保护接地 ， 如果柜体带电， 可从保护地导人 地下， 保护人体不受伤害。屏蔽地、 保护地不能与交流 地、 信号地扭在一起 ， 只能各 自独立的接到接地铜牌。 在设计电解加工 P L C控制 系统 时， 除兼 顾 以上 接地 措施外 ， 还 对控 制 系 统 中的触 摸 屏进 行 了接 地 。 触摸屏 电源和触 摸屏 本身都要经过接地处理 ， 不能 将直流电源的负极接到控制柜 的外壳上 ， 否则将可 能由于控制柜外壳的接地阻抗过高而产生干扰。 2 ． 4软件 抗 干扰 P L C内部具 有 丰富 的软元 件 ， 如定 时 器、 计数 器、 中间继 电器等， 利用这些软元件可以编写程序 ， 用来屏蔽输入元 件的干扰信号 ， 防止输 出元 件 的误 动作 ， 提高系统 的抗干扰能力 。例如在电解加工 控制系统设计 时首先利用 P L C内部定时器的延时 ， 屏蔽输入端可能 出现 的错误信号 ， 其次利用 P L C内 部计数器防止输入元件触点“ 抖动”干扰 。在一些 大型的 P L C控制系统中对于模拟量输入的干扰还经 常 用到 软件 滤波 和数字 滤波 等抗 干扰 措施 。 2 ． 5 光 电耦 合器 抗干扰 光 电耦合 器 常被用 在 P L C输入 模块 和 输 出模 块 中用来抑制外部干扰 。光电耦合器在控制系统设计 时被大量采用是 由其特点决定 的 ① 光 电耦合器动 态输入电阻小 ， 产生干扰 的信号源 内阻一般都很大， 因此光电耦合器输入端实际得到的干扰电压信号很 小 ； ②光电耦合器是一种 电流输入元件 ， 当输入 电流 小于 1 ． 5 m A时 ， 输入信号被 当作 0 ， 系统不动作 ； ③ 光电耦合器输入输 出电路 间的绝缘 电阻很 大， 可 以 避 免公共 地 线环 流 可 能 引 起 的干 扰 。在 电解 加工 控 制系统设计时 ， 除模拟量模块中应用到光电耦合器外 ， 在电解加工机床的对刀电路设计时也应用到光 电耦合 器 ， 用于减少或消除了外部窜人的干扰， 保证了系统稳 定的工作。图 6为电解加工的对刀输入电路。 。 厂广＼ ■ 2 8 K A 1 卜 l 、 ’ K A Z 1R 2 0 8 Z 1 j J ＼ ＼ 呈 l I ’ ＼ _． KAD 3 图 6 电解加工对刀 电路光电耦合抗干扰图 3 结束语 P L C控 制 系统 在 工 业 中应 用 越 来 越 广 泛 ， 其 工 作环境 也 日趋 复 杂 。因 此 ， 在 P L C控制 系统 的设 计 中 ， 通过正确设计硬件线路 ， 合理布线 ， 选用高质量 的元器件以及 利用 软件 设计抗干扰等措施 ， 使 系统 在实 际应 用 中能 够更 加稳 定 、 可靠 的运行 。 [ 参考文献] [ 1 ]廖 常初．P L C应 用技 术 问答 [ M] ．北京 机 械工 业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]朱树 敏 ， 等．电化学加工技术 [ M] ．北 京 化学 工业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ]周志敏 ， 等．P L C控制 系统电磁兼 容性技 术 [ M] ．北京 人名邮电出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ]赵琳 ， 翟诺 ， 申敏．工业控制系统 中应用的 P L C抗干扰技 术 [ J ] ．自动化技术 与应用 ， 2 0 0 8 ， 2 7 9 1 2 91 3 1 ． [ 5 ]刘美俊 ， 胡俊达 ， 等． P L C在 四工位组合机床控制系统中的 应用 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 3 5 7 3 7 4 ． [ 6 ]陆秀令 ， 等．提高 P L C抗干扰 的软件设计 [ J ] ．机 电工程 技术， 2 0 0 4， 3 3 6 7 2 7 4 ． 编辑赵蓉