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1.前言
隨著科技的進(jìn)步，中國(guó)智造2025的提出使工廠企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)型智能制造。在生產(chǎn)運(yùn)行中穩(wěn)定、可靠、安全是至關(guān)重要的。PLC以其運(yùn)算速度快、功耗小、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，迅速擴(kuò)大自己的市場(chǎng)。PLC有的安裝在控制室內(nèi)，有的直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備中。設(shè)備周圍有很強(qiáng)的電路及其他的設(shè)備，比如變頻器，如此惡劣的電磁環(huán)境給PLC穩(wěn)定性及工程師預(yù)防都會(huì)造成極大的干擾。因此了解和預(yù)防干擾是有必要的，在此以最常遇見(jiàn)的模擬量波動(dòng)為例。
2.為什么會(huì)有波動(dòng)
工業(yè)設(shè)備中影響PLC模擬量的情況有多種，例如：
① 來(lái)自于設(shè)備或柜內(nèi)強(qiáng)電干擾。
② 布線、接地系統(tǒng)混亂產(chǎn)生干擾。
③ 來(lái)自信號(hào)線或電源線的干擾。
④ PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。
它們大多是產(chǎn)生電流或電壓距離變化引起電荷劇烈移動(dòng)產(chǎn)生了干擾。干擾可以分為共
模干擾和差模干擾。共模干擾是指干擾電壓在信號(hào)線及其回線幅度相同（參考電位一般為大地），干擾電流回路則是在導(dǎo)線與參考物體構(gòu)成的回路間流動(dòng)（如圖一）。差模干擾是指干擾電壓在信號(hào)線與其回路（一般為信號(hào)的地線）之間，干擾電流回路則是在導(dǎo)線與參考物體構(gòu)成的回路中流動(dòng)（如圖二）。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低，造成干擾不明顯。共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。所以，解決共模干擾是消除干擾的關(guān)鍵。
圖一 圖二
3.為什么用屏蔽
在安裝設(shè)備時(shí)經(jīng)常把很多線路一起放在線槽中，這樣雖然方便美觀。但是在信號(hào)傳輸時(shí)會(huì)受到別的電纜產(chǎn)生的電磁場(chǎng)噪聲源的影響。在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)更會(huì)受到不同設(shè)備的電磁干擾，如馬達(dá)、電源線等，射頻干擾如無(wú)線電、雷達(dá)等。解決這種問(wèn)題最簡(jiǎn)單的方法就是使用屏蔽線。
屏蔽線（如圖三）源于歐洲，在信號(hào)線外部使用金屬網(wǎng)狀編織層包裹起來(lái)的傳輸線，編織層一般為銅或鍍錫銅，利用金屬屏蔽層的反射、吸收及趨膚效應(yīng)實(shí)現(xiàn)防止電磁干擾及電磁輻射功能。使用屏蔽層接地，外來(lái)的干擾信號(hào)可被該層導(dǎo)入大地，避免干擾信號(hào)進(jìn)入內(nèi)層導(dǎo)體干擾，同時(shí)也降低傳輸信號(hào)的損耗。屏蔽分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽，主動(dòng)屏蔽是為了防止噪聲源向往輻射；被動(dòng)屏蔽是為了防止設(shè)備受到噪聲源的干擾。plc模擬量上主要運(yùn)用被動(dòng)屏蔽。
圖三
屏蔽線的屏蔽層需要接地。接地分為單端接地和雙端接地，不能多點(diǎn)接地。多個(gè)的接地點(diǎn)會(huì)因?yàn)楦鹘拥氐碾妷翰煌?，形成電位差產(chǎn)生感應(yīng)電流，反而產(chǎn)生干擾。雙端接地主要用于高頻，如編碼器等。一般對(duì)于模擬量使用單端接地，即一端接地另一端懸空。
4.為什么用隔離
在平時(shí)的安裝中很難把所有設(shè)備集中在一起，必不可免的要有長(zhǎng)距離的安裝。分割兩地的設(shè)備和儀表之間的信號(hào)參考點(diǎn)存在電勢(shì)差，因而形成了接地環(huán)路（如圖四）造成信號(hào)的傳輸過(guò)程的失真。長(zhǎng)距離的傳輸也不可避免的會(huì)有感性和容性的干擾。所以如何抑制公共接地、不明電磁對(duì)設(shè)備的干擾，是關(guān)鍵。
圖四 圖五
模擬信號(hào)隔離器，也叫做信號(hào)變送器（如圖五）。具有隔離、信號(hào)轉(zhuǎn)換、保護(hù)等作用。是工業(yè)中常用的方法。信號(hào)隔離器就是將變送器或儀表的信號(hào)，通過(guò)半導(dǎo)體器件調(diào)制變換，然后通過(guò)光感或磁感元件隔離轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行解調(diào)變換回隔離前的原信號(hào)，同時(shí)對(duì)隔離后的信號(hào)的供電電源進(jìn)行隔離處理。保證變換后的信號(hào)、電源、地直接的絕對(duì)獨(dú)立。有效的解決了接地環(huán)路和設(shè)備的連接時(shí)底線參考點(diǎn)不同所造成的問(wèn)題，也可以有效的去除線路在正常傳輸過(guò)程中可能受到電磁干擾的問(wèn)題。
6.為什么共地
對(duì)于線路來(lái)說(shuō)信號(hào)的“地”又稱參考地，是線路電壓的參考點(diǎn)，也是構(gòu)成信號(hào)回路的公共端。對(duì)于設(shè)備來(lái)說(shuō)接地往往是考慮防雷和安全。所以保護(hù)地和參考地不能隨便共，必須做好分類。共地就是使信號(hào)源端與測(cè)量端電位相同，以此來(lái)抑制干擾。
當(dāng)使用一個(gè)自供電或隔離的傳感器電源和模擬量輸入模塊電源沒(méi)有彼此連接，即模擬量輸入模塊的電源地和傳感器信號(hào)地沒(méi)有連接時(shí)，這將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的上下震動(dòng)的共模電壓，影響模擬量輸入的值。這時(shí)就需要把傳感器輸入的負(fù)端與模塊上的公共端的M端連接以補(bǔ)償此種波動(dòng)（如圖六，左為四線制，右為兩線制）。
圖六
當(dāng)使用多個(gè)非隔離傳感器（不同的接地點(diǎn)）與隔離模塊連接時(shí)候，由于各個(gè)傳感器信號(hào)的負(fù)端都會(huì)有共模電壓，這時(shí)需要將各個(gè)信號(hào)的負(fù)端連接起來(lái)。在與非隔離模塊連接時(shí)還需要與模塊的M端相連接。
7.濾波的原理
對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波也是常用的方法之一。在信號(hào)傳輸時(shí)模擬量信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)太快，導(dǎo)致邏輯無(wú)法有效的響應(yīng)，就可以設(shè)置一個(gè)濾波器，求取輸入信號(hào)平均值，將一個(gè)平滑信號(hào)傳給邏輯程序。軟件上的濾波在系統(tǒng)塊→輸入濾波→模擬量（如圖七）。
圖七
使用軟件濾波要搞懂兩個(gè)概念，既采樣數(shù)和死區(qū)。采樣數(shù)顧名思義是指計(jì)算平均值的數(shù)值數(shù)目，PLC可設(shè)置為2指數(shù)倍增加最大到256，采樣數(shù)的增加會(huì)讓結(jié)果穩(wěn)定但是響應(yīng)變慢，反之則反之。但是在有些場(chǎng)合輸入值大幅改變，需要快速反應(yīng)就需要設(shè)置死區(qū)，死區(qū)范圍可設(shè)置為16-4080。死區(qū)是設(shè)定一個(gè)當(dāng)前平均值范圍（當(dāng)前平均值 ± 死區(qū)值）。當(dāng)新的值輸入在這個(gè)范圍內(nèi)，則繼續(xù)進(jìn)行平均值計(jì)算。如果新進(jìn)值超過(guò)這個(gè)范圍，不再進(jìn)行平均值計(jì)算，而是直接將這個(gè)值設(shè)置為平均值。這樣就使得在輸入信號(hào)大幅度改變時(shí)也有快速的響應(yīng)。死區(qū)值設(shè)定為0可以禁用死區(qū)，禁用后不論輸入值如何變化都只做求平均值計(jì)算。（注：不要對(duì)通過(guò)模擬量字中傳遞數(shù)字量信息或報(bào)警指示的模塊使用模擬量過(guò)濾。AS-i主站模塊、熱電偶模塊和 RTD 模塊要求禁止 CPU 模擬量輸入濾波功能。）。
濾波器就是一個(gè)算術(shù)平均濾波法，算術(shù)平均濾波法是對(duì)N個(gè)連續(xù)采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次測(cè)量的濾波值。對(duì)濾除混雜在被測(cè)信號(hào)上的隨機(jī)干擾信號(hào)非常有效。除此之外還有很多濾波算法，如中位值濾波，中位值平均濾波，都需要自己編寫(xiě)程序。
