1 引言
在工業plc控制系統中，遠程i/o是一種高速局域網絡，實際上就是以總線的方式將輸入/輸出設備和中央控制器(cpu)連接起來，從而實現對輸入/輸出設備的遠程控制的一種解決方案�？偩�方式有多種，各大公司開發的產品各有特點，例如有的公司采用profibus-dp現場總線，通訊介質為屏蔽雙絞線, 有的公司則采用75ω同軸電纜和catv介質技術。雖然應用的介質各有差別，但對系統的要求基本一致，主要有以下幾個方面:
(1) 保證數據傳輸的一致性
保證數據的準確高速傳輸是對遠程i/o的基本要求。大部分數據在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測速度
作為一個高速局域網絡，遠程i/o必須支持時間要求很嚴格的應用場合。plc采用一致性通訊方法服務于每個節點，i/o分站總是在確定的時間范圍內更新，在用戶邏輯程序段號的基礎上對該時間范圍內進行計算。為保證信息不會產生沖突，每個節點只在一個確定的時間范圍內在網絡上進行傳送，而不是幾個節點的數據同時傳送。
(3) 對系統要求有嚴格的抗干擾措施
這一點在工程的設計和實施階段顯得非常重要。因為遠程i/o連接的是設備層，而且plc與遠程站之間的信息傳輸是在嚴格的時間段內進行的，因此任何干擾都有可能造成輸入輸出設備的狀態和動作指令不能正確的傳送和執行，從而造成系統誤動作，甚至發生設備事故。
在實際應用中，人們對遠程i/o系統的信號干擾問題重視不夠，使得系統進入調試階段時對出現的各種干擾問題，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，闡述如何防止系統的干擾問題。
某燒結廠2×90m2燒結機擴容改造工程plc控制系統，其結構如圖1所示。5套plc(1-5pc)控制系統分別負責原料配料，熔劑，混料，燒結，成品等工藝系統的檢測和控制，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高速局域網絡(1.544mbit/slan)，通訊介質為75ω同軸電纜。
2 干擾原因的分析
該系統運行的環境比較惡劣，工藝設備中有大量的變頻器，粉塵，噪音，震動等。該系統正常工作時處于連鎖運行狀態，每臺設備的運行狀態均取決于它的前后設備的運行狀態。如圖2所示，從3#圓筒到混—13皮帶，均受3pc的3#遠程站控制，而這段設備的自動啟動和停止則由混—3皮帶和5#圓筒的狀態決定，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系統配置圖
[NextPage]
圖2 每臺設備的運行狀態
在系統調試過程中，其3pc(燒結成品控制系統)的3#站控制的3#圓筒至混—13皮帶出現頻繁自動啟動/停止的現象。經過現場分析，在排除了設備本身的原因后，認為主要是系統的干擾導致遠程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
由于系統工藝設備中大量的變頻器的存在，其產生的奇次諧波干擾非常嚴重，加上該系統施工時遠程電纜的敷設基本沒按規范施工，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，這可能導致變頻器的奇次諧波進入遠程i/o系統引起遠程i/o的通訊錯誤。
(2) 該系統的接地也存在問題
一般的plc系統要求單獨接地，以避免電氣系統的各種干擾通過接地線進入plc(siemens公司的控制系統不要求plc系統的接地與電氣系統的接地嚴格分開，但是據我查閱有關資料得知，這么做的前提是電氣系統的變壓器中性點是不能接地的)。該系統在施工時plc接地極和電氣接地極雖然是分別埋設的，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在多個節點連在了一起。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系統形成干擾。
[NextPage]
(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，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，太短信號會在分支器產生反射，這會在分站適配器中產生誤差;而太長會造成信號衰減，同樣會產生信號誤差。實際上由于分支器安裝在plc柜內，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，由于數量比較多，因此這一工作對于保證系統通訊的可靠性也是很關鍵的，任何一個位置的電纜接頭做不好，都會影響得到整個系統的通訊狀態。
(6) 產生干擾的其它原因。
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的狀態。在通訊中斷的時段內，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。當通訊恢復以后，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備頻繁自動啟動/停止的現象。
3 排除干擾的措施
采取的措施:經過認真分析，作者認為雖然存在著以上這么多的可能性，造成遠程i/o系統干擾的原因主要有2個方面:變頻系統干擾和系統接地。因此從這2方面入手采取以下措施:
(1) 變頻系統干擾采取的措施
?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，并全部采用穿管敷設;
?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;
?分站電纜的長度統一取3m長
這一點一般的設計人員容易疏忽，一般都把分支器設計在plc柜內安裝，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) 重新設計布置接地系統
?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，該系統的plc遠程i/o通訊恢復正常。系統運行至今一年多，整個plc系統再沒有出現類似的故障現象。
4 結束語
plc遠程i/o通訊的抗干擾問題比較復雜，出現的故障現象也是多種多樣，令人頭痛。但產生的原因殊途同歸，基本上都是由沒嚴格按規范設計施工、強高次諧波干擾或接地系統的問題引起的。了解到這些，就會少走彎路。