試析PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計問題

曾湘 段文杰

摘要：可靠性是進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計時的非常重要的要求，在PLC控制系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用的今天，PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計更加重要。文章主要分析了影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的若干因素，并重點論述了PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計問題。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計；可靠性

中圖分類號：TM571.61文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2011）22-0100-02

PLC，Programmable Logic Controller的縮寫，意為可編程邏輯控制器，它的主要用途就是用來對工業(yè)的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。相對于傳統(tǒng)的“繼電器——接觸器控制系統(tǒng)”，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)，不僅大幅度提升了其所控制生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，也提高了生產(chǎn)效率，讓企業(yè)獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。綜合現(xiàn)在的實際情況和未來的發(fā)展趨勢來看，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化乃是大勢所趨。面對日益提高的生產(chǎn)控制自動化需求，PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用前景非常廣闊?？煽啃允沁M(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計時非常重要的要求，也是系統(tǒng)總體工程設(shè)計的重要構(gòu)成部分，其實現(xiàn)方式主要是電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和程序設(shè)計。在PLC控制系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用的今天，PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計更加重要。本文主要分析了影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的若干因素，并重點論述了PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計問題。

1影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的若干因素

①空間輻射因素。雷雨、雷達(dá)、電網(wǎng)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、電視、無限廣播等設(shè)備均會產(chǎn)生EMI，即空間的輻射電磁場。EMI，即輻射干擾，影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的重要因素，但是由于它分布非常復(fù)雜，因此具有很大的控制難度。EMI影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：第一，直接輻射PLC控制系統(tǒng)的內(nèi)部，并在電路感應(yīng)的作用下對其產(chǎn)生干擾。第二，輻射PLC控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。因為通信線路感應(yīng)可以將干擾引入，進(jìn)而影響PLC系統(tǒng)的可靠性。

②電源干擾因素。電源也會將干擾引入到PLC控制系統(tǒng)當(dāng)中，致使其出現(xiàn)故障，進(jìn)而影響其可靠性。此時，如果想解決問題，一般需要更換隔離性能好的PLC控制系統(tǒng)電源。電網(wǎng)是PLC控制系統(tǒng)的常規(guī)供電能源，但是因為電網(wǎng)具有極大的覆蓋面，非常容易受到空間電磁的干擾，并在其線路上感應(yīng)電壓和電路；特別是由于大型電力設(shè)備開和關(guān)、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊、開關(guān)操作浪涌以及交直流傳動裝置引起的諧波等原因?qū)е碌碾娋W(wǎng)內(nèi)部的變化，均會利用電網(wǎng)線路傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)的電源那里，導(dǎo)致其出現(xiàn)故障。雖然更換隔離性能好的PLC控制系統(tǒng)電源可以有效杜絕以上問題，但是如果其結(jié)構(gòu)、制造工藝等過于復(fù)雜，便會影響它的隔離效果。

③信號線引入。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線除了傳輸有效的各類信息外，總會有外部干擾信號侵入。由信號引入干擾會引起I/0信號工作異常，大大降低測量精度，嚴(yán)重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機(jī)。

④接地系統(tǒng)混亂。正確接地可以有效抑制電磁干擾的不利影響，除此之外，還可以避免該設(shè)備向外界傳播干擾。但是如果接地錯誤，不僅會引入嚴(yán)重的信號干擾，還不能夠起到屏蔽該設(shè)備向外界傳播干擾的作用。PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等，會引起各個接地點電位分布不均，不同接地點之間存在地電位差兩引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)的正常工作。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布予擾容易影響PLC的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī)。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測量精度下降，引起信號測控失真和誤動作。

⑤PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部干擾。PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部也存在著大量的電器元件，電器元件之間、電路之間會產(chǎn)生相互作用的電磁輻射。例如：邏輯電路的相互輻射、電器元件的不匹配、邏輯地和模擬地之間的相關(guān)作用等等。以上因素均會對PLC控制系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生不利影響。

2PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

2.1有效處理沖擊電流和漏電流

①有效處理沖擊電流。PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部的晶體管或雙向晶閘管輸出元器件通?？梢猿惺?0倍于系統(tǒng)設(shè)定額定電流的浪涌電流。但是如果連接具有較大負(fù)載的沖擊電流時，則我們一定要優(yōu)先考慮晶體管或雙向晶閘管輸出元器件安全性和可靠性。一般而言，我們使用沖擊電流大的負(fù)載（例如反復(fù)通斷電動機(jī)等），必須保證負(fù)載沖擊電流不大于沖擊電流耐量值的1/2。具體解決方法主要有以下兩種：其一，并聯(lián)電阻法。即允許平時有少于額定電流的30%的電經(jīng)過電源和電阻流過負(fù)載，借此來對啟動電流沖擊幅度進(jìn)行必要的限制。其二，串聯(lián)電阻法。即將限流電阻串聯(lián)到負(fù)載回路當(dāng)中去，但是此舉的不利影響是會降低負(fù)載的工作電流。

②有效處理漏電流。具體解決方法主要有以下兩種：第一，輸入漏電流及處理。當(dāng)使用雙線式傳感器，如光電傳感器、接近開關(guān)或帶氖燈的限位開關(guān)等作為輸入裝置與PLC連接時，由于這些元件在關(guān)斷時有較大的漏電流，會引起輸入信號錯誤接通。漏電流小于1.3 mA時一般沒有問題；如果大于1.3 mA，為防止信號錯誤接通的發(fā)生，可在PLC的相應(yīng)輸入端并聯(lián)一個瀉放電阻，以降低輸入阻抗，減少漏電流的影響。第二，輸出漏電流及處理：對晶體管或可控硅輸出型PLC，其輸出接上負(fù)載后，由于輸出漏電流會造成設(shè)備的誤動作。為了防止這種情況，可在輸出負(fù)載兩端并聯(lián)旁路電阻。

2.2PLC線路板的可靠性設(shè)計

優(yōu)先選擇具有較高可靠性、穩(wěn)定性、較小脈動的直流電源，同時為了降低損耗，將銅導(dǎo)線作為連接導(dǎo)線；嚴(yán)格選擇處理芯片，必須保證芯片的性能具有較高的性能水平，例如，具有良好的抗沖擊能力、抗振動能力、對溫度變化具有良好適應(yīng)力等要求；科學(xué)處理沒有使用集成電路的電路端子，使其在接地或者接高電平的時候能夠保持系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定。

在對線路板進(jìn)行設(shè)計的過程中，建議可以不平行走線，則盡量不平行走線，同時，為了起到良好的隔離作用，應(yīng)該在每一個有互感的線路之間設(shè)置一根地線。另外，將一個體積小但是容量大（至少需要幾十μF）的鉭電容安裝在每塊印刷電路板的入口位置處，將此作為濾波器，發(fā)揮濾波作用。為了降低芯片所在支路的地線對芯片的瞬時干擾，建議將印刷板電源地線設(shè)計成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；設(shè)計電源正負(fù)極走線的時候，應(yīng)該將其盡量靠近。

2.3軟件容錯技術(shù)

為了增強(qiáng)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，還應(yīng)該在程序編制中增加軟件容錯技術(shù)，提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計水平。具體方法如下：其一，增加程序復(fù)執(zhí)技術(shù)。該技術(shù)的主要功能就是如果程序在執(zhí)行的進(jìn)程中出現(xiàn)了錯誤或者故障，將會對被干擾的先行指令進(jìn)行若干次的重新執(zhí)行。假如復(fù)執(zhí)成功，則表示干擾；假如復(fù)執(zhí)失敗，則表示軟件失?。ㄍǔｏ@示為“Fault”）。其二，處理死循環(huán)。由程序確定導(dǎo)致死循環(huán)的原因是主要故障還是次要故障，如果是主要故障則要進(jìn)行停機(jī)處理；如果是次要故障則要進(jìn)行相應(yīng)的子程序處理。其三，設(shè)置軟件延時。對于控制回路、或者形成抖動的檢測、或者重要開關(guān)量輸入信號采用軟件延時20 ms的設(shè)置，多次讀取同一信號，只有結(jié)果一致時才確認(rèn)有效，此舉能夠有效消除偶發(fā)干擾的影響。

本文首先分析了影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的若干因素，隨后重點論述了PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計問題，希望可以為相關(guān)人士提供有益的借鑒。

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