預(yù)防PLC誤動(dòng)作的研究

聶 輝

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

PLC因其具有諸多優(yōu)點(diǎn)而被控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。雖然PLC比當(dāng)今其他工業(yè)控制器具有更高的可靠性，但其對(duì)工作環(huán)境、安裝及維修等有要求，仍具有預(yù)防其誤動(dòng)作的必要性。業(yè)內(nèi)人士［1-3］雖對(duì)預(yù)防PLC誤動(dòng)作有所研究，但這些研究大都側(cè)重于某一個(gè)技術(shù)方面，還需要就技術(shù)和管理方面進(jìn)行綜合研究。

1 引起PLC誤動(dòng)作的主要因素

引起PLC誤動(dòng)作的主要因素有內(nèi)部因素與外部因素。內(nèi)部因素是PLC的固有因素，外部因素是指PLC外圍設(shè)備、工作環(huán)境等外來影響。

1.1 內(nèi)部因素

內(nèi)部因素可分為:工作原理因素、組成結(jié)構(gòu)因素、制造工藝、技術(shù)因素以及系統(tǒng)程序因素等。

(1)工作原理因素。如在高速控制系統(tǒng)中，PLC的串行掃描與成批輸出工作方式所造成的內(nèi)部軟元件動(dòng)作誤差給誤動(dòng)作埋下隱患［1］。PLC執(zhí)行串行掃描工作方式時(shí)，其輸入、輸出信號(hào)間的邏輯關(guān)系存在原理的滯后，掃描周期越長(zhǎng)，這種滯后就越嚴(yán)重。輸出時(shí)，PLC須將當(dāng)前輸出狀態(tài)、處理結(jié)果放在輸出映象存儲(chǔ)器中，只有在執(zhí)行程序結(jié)束指令或PLC下次掃描程序前，才將此存儲(chǔ)器的內(nèi)容由輸出鎖存器成批輸出到PLC的外部端子。PLC執(zhí)行成批輸出工作方式時(shí)，使輸出繼電器在執(zhí)行用戶程序指令END前不能即時(shí)輸出，只能在執(zhí)行用戶程序指令END之后才能成批輸出，這就引起了即時(shí)輸出與成批輸出的時(shí)間誤差，給PLC埋下了誤動(dòng)作的隱患。

(2)組成結(jié)構(gòu)因素。PLC內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)雖然較為合理，但對(duì)于高速控制系統(tǒng)也有美中不足之處。如PLC輸入輸出信號(hào)都經(jīng)過光電耦合器、繼電器等進(jìn)行隔離，這種隔離使輸入輸出電路增大了慣性，使輸入輸出響應(yīng)滯后，給軟元件觸點(diǎn)動(dòng)作帶來時(shí)間誤差［1］。

(3)制造工藝和技術(shù)因素。PLC作為自控系統(tǒng)核心的控制部件，對(duì)其制造有特別高的要求。若內(nèi)部的元器件布局不合理，則會(huì)造成內(nèi)部信號(hào)相互串?dāng)_以及線路存在的電容性元件引起寄生振蕩。若整個(gè)系統(tǒng)的地線處理不當(dāng)，則會(huì)形成內(nèi)部干擾源，直接干擾PLC正常工作，從而引起PLC誤動(dòng)作。

(4)系統(tǒng)程序因素。若系統(tǒng)程序出問題，必然導(dǎo)致PLC誤動(dòng)作。

1.2 外部因素

引起PLC誤動(dòng)作涉及諸多外部因素，如外圍設(shè)備、系統(tǒng)安裝與布局、工作環(huán)境和維修保養(yǎng)等因素。

(1)外圍設(shè)備因素。PLC外圍設(shè)備異常，容易成為干擾源和引起PLC誤動(dòng)作。這種干擾源包括電源電壓波動(dòng)和高次諧波的干擾;開關(guān)通斷的高、低頻干擾;動(dòng)力感應(yīng)電勢(shì)引起的干擾;其他設(shè)備通過電容耦合串入PLC而引起的干擾等。除此之外，按鈕、繼電器等工作時(shí)觸點(diǎn)間產(chǎn)生的電弧，接觸器、繼電器以及電磁鐵等的線圈感性負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓，外界的設(shè)備雜亂的無線電波信號(hào)等也是PLC干擾源的一部分，也能引起PLC誤動(dòng)作。

(2)系統(tǒng)安裝布局因素。PLC系統(tǒng)須安裝在合適的位置，若它離高頻設(shè)備或大功率設(shè)備太近，則這些設(shè)備的干擾容易引起PLC誤動(dòng)作。電源線、信號(hào)線和控制線須合理布局，若I/O線與控制線無適當(dāng)距離或動(dòng)力線與控制線一起敷設(shè)，則為PLC誤動(dòng)作埋下了隱患。接地系統(tǒng)安裝與誤動(dòng)作也有著直接的關(guān)系。良好的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件，很多PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障往往是由于系統(tǒng)接地不好引起的。

(3)工作環(huán)境因素。雖然PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制器，但當(dāng)其工作環(huán)境的溫濕度太高、有害氣體和粉塵太多以及干擾太強(qiáng)，都易引發(fā)PLC誤動(dòng)作。

(4)維修保養(yǎng)因素。維修保養(yǎng)是預(yù)防PLC誤動(dòng)作的重要工作之一。如對(duì)PLC傳輸信號(hào)線故障不及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，則現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)無法傳送，PLC不能按控制要求進(jìn)行動(dòng)作，容易發(fā)生誤動(dòng)作。

2 預(yù)防的原則

預(yù)防PLC誤動(dòng)作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為做好這項(xiàng)工作，須堅(jiān)持預(yù)防為主、統(tǒng)籌綜治以及以人為主的原則。

(1)預(yù)防為主的原則。堅(jiān)持預(yù)防為主原則的原因:一是PLC誤動(dòng)作的嚴(yán)重危害性。PLC一旦誤動(dòng)作，就使控制系統(tǒng)無法正常工作，同時(shí)還對(duì)人身和設(shè)備帶來很大的安全威脅。二是誤動(dòng)作因素的多樣性。三是誤動(dòng)作的偶發(fā)性。誤動(dòng)作雖然有某些規(guī)律，但實(shí)際發(fā)生的時(shí)間、原因、危害程度等難以預(yù)測(cè)，只有針對(duì)可能引起誤動(dòng)作的所有原因都采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

(2)統(tǒng)籌綜治的原則。對(duì)于引起PLC誤動(dòng)作的諸多因素，統(tǒng)一籌劃預(yù)防方案，并綜合各種措施進(jìn)行全面預(yù)防。否則，這種預(yù)防將會(huì)顧此失彼，誤動(dòng)作將會(huì)防不勝防。

(3)以人為主的原則。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，人與設(shè)備是不可分離的統(tǒng)一體。但人與設(shè)備不是等同關(guān)系，而是主從關(guān)系，人是主體，設(shè)備是客體。因此，對(duì)PLC誤動(dòng)作的預(yù)防和控制需要堅(jiān)持以人為主的原則。

3 預(yù)防PLC誤動(dòng)作的措施

預(yù)防PLC誤動(dòng)作可采取2種措施:即管理措施和技術(shù)措施。

3.1 管理措施

由于PLC的誤動(dòng)作相當(dāng)一部分是由管理不善引起的，因此，預(yù)防PLC誤動(dòng)作必須采取切實(shí)有效的管理措施:(1)把好選用合適且合格的產(chǎn)品關(guān)。由于PLC及其外圍設(shè)備的功能、性能以及完好狀態(tài)直接決定控制系統(tǒng)的可靠性，因此要選用合適且合格的PLC及其外圍設(shè)備。(2)把好安裝布局關(guān)。由于PLC及其外圍設(shè)備的運(yùn)行品質(zhì)都與它們的安裝布局有著密切的關(guān)系，因此安裝布局必須按嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。(3)把好環(huán)境關(guān)。對(duì)溫度、濕度太高、粉塵太多、振動(dòng)太大、干擾太強(qiáng)的環(huán)境及時(shí)進(jìn)行改造。(4)把好人員素質(zhì)關(guān)。安排技術(shù)水平高和責(zé)任感強(qiáng)的人員擔(dān)任相關(guān)工作。(5)把好安全操作規(guī)程關(guān)。規(guī)范操作行為，保證安全使用。(6)把好檢查關(guān)。通過檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并將PLC誤動(dòng)作封殺在萌芽狀態(tài)。(7)把好日常維護(hù)關(guān)。(8)把好修理關(guān)。(9)把好設(shè)備的更新改造關(guān)。

3.2 技術(shù)措施

3.2.1 針對(duì)內(nèi)部因素的技術(shù)措施

(1)針對(duì)PLC工作原理的技術(shù)措施。對(duì)于預(yù)防PLC串行掃描和成批輸出工作方式所引起的誤動(dòng)作，其技術(shù)措施一般是合理編程［4］。編程時(shí)必須注意PLC梯形圖雖與傳統(tǒng)繼電器的控制電路圖有某些相似，且PLC軟元件也有相當(dāng)一部分冠以繼電器名稱，但PLC的工作方式與傳統(tǒng)繼電器截然不同，不能用傳統(tǒng)繼電器控制的思維方式處理PLC編程問題。

(2)針對(duì)PLC組成結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施。PLC一旦成為產(chǎn)品投放市場(chǎng)，用戶就不能改變其內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)。要解決因組成結(jié)構(gòu)帶來的誤動(dòng)作問題，只有在合理編程和限制使用頻率這2個(gè)方面采取技術(shù)措施［4-5］。

(3)針對(duì)制造因素的技術(shù)措施。PLC制造因素決定自身的性能。針對(duì)制造因素采取的技術(shù)措施，就是反復(fù)篩選PLC及其外圍設(shè)備，選性價(jià)比高的產(chǎn)品。選擇的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)雖然有時(shí)會(huì)因人而異，但基本的幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)，如功能、性能以及輸入輸出點(diǎn)數(shù)等是選擇PLC的基本依據(jù)。

3.2.2 針對(duì)外部原因的技術(shù)措施

(1)優(yōu)化外圍設(shè)備配置。PLC控制系統(tǒng)需要配置性能優(yōu)良的外圍設(shè)備。若輸入設(shè)備因品質(zhì)低劣引起輸入信號(hào)錯(cuò)誤，則必然引起PLC輸出錯(cuò)誤。若輸出元器件品質(zhì)低劣，則PLC的被控設(shè)備就會(huì)失控。因此，在選好PLC的同時(shí)，還要選好各種外圍設(shè)備。這種外圍設(shè)備不僅包括PLC直接驅(qū)動(dòng)的被控設(shè)備，如電磁閥、報(bào)警器等，也包括輸入的元器件，如輸入繼電器、傳感器等。

(2)優(yōu)化環(huán)境。優(yōu)化環(huán)境的主要措施是減小或消除干擾、降低高溫和高濕、減少或消除粉塵等。減小或消除干擾是優(yōu)化環(huán)境的重點(diǎn)和難點(diǎn)。首先要對(duì)電源干擾采取措施。電源干擾主要是通過供電線路的阻抗耦合產(chǎn)生的，各種大功率用電設(shè)備是主要的干擾源。在干擾較強(qiáng)或?qū)煽啃砸蠛芨叩膱?chǎng)合，可在PLC的交流電源輸入端連接電源干擾處理電路［6］，如圖1所示。其次是對(duì)感性負(fù)載干擾采取措施。即在直流輸出電路感性負(fù)載的兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，在交流輸出電路感性負(fù)載的兩端并聯(lián)阻容電路，如圖2所示。接著是對(duì)外來強(qiáng)烈干擾采取隔離措施，即用光電耦合器、輸出繼電器以及光電晶閘管等器件來實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信號(hào)的隔離。

(3)優(yōu)化安裝布局。優(yōu)化安裝布局是預(yù)防PLC誤動(dòng)作的重要措施之一。它涉及的主要方面是PLC的安裝地點(diǎn)與位置、各種線路的布局與走向、接地系統(tǒng)的布局與安裝等。合適的安裝地點(diǎn)與位置是預(yù)防PLC誤動(dòng)作的基本條件。對(duì)于一般的PLC來說，安裝地點(diǎn)的環(huán)境溫度和濕度都應(yīng)保證在一定范圍內(nèi)。安裝位置無振動(dòng)或有減振措施。此位置還要避開強(qiáng)干擾源，若難以避開，也要盡量遠(yuǎn)離干擾源。安裝地點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)空氣中無粉塵和有害氣體，或有避免這類粉塵和有害氣體的措施和設(shè)備。優(yōu)化線路安裝布局也是預(yù)防PLC誤動(dòng)作的重要措施之一。這種優(yōu)化主要包括:電源線安裝布局的優(yōu)化，如動(dòng)力電源線與PLC的電源線分別配線、隔離變壓器與PLC電源之間采用雙絞線連接、動(dòng)力電源線足夠粗以及有可能時(shí)對(duì)PLC采用單獨(dú)供電回路等。信號(hào)線的選擇與布局的優(yōu)化，如信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)用屏蔽電纜、模擬信號(hào)和高速信號(hào)用屏蔽電纜、通信電纜用專用電纜(如光纖電纜)、I/O線與電源線分開走線并保持一定的距離等?？刂凭€安裝布局的優(yōu)化，如控制線與電源線分開走線，并保持一定的距離等［7］。優(yōu)化接地系統(tǒng)的安裝布局同樣是預(yù)防PLC誤動(dòng)作的重要措施之一。這種優(yōu)化包括信號(hào)源接地時(shí)屏蔽層須在信號(hào)側(cè)接地或在PLC側(cè)接地、信號(hào)線中間接頭時(shí)屏蔽層牢固連接并進(jìn)行絕緣處理、多個(gè)測(cè)量點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞總屏電纜連接進(jìn)行絕緣處理等。接地點(diǎn)盡量靠近PLC控制器，接地線盡量避開強(qiáng)電回路和主回路的電線，不能避開時(shí)，應(yīng)垂直相交，盡量縮短平行走線的長(zhǎng)度等。

圖1 電源干擾處理電路

圖2 感性負(fù)載干擾處理電路

(4)優(yōu)化維修保養(yǎng)。維修保養(yǎng)措施重點(diǎn)采用事前修理方式。即定期維護(hù)保養(yǎng)，將一切可能引起PLC誤動(dòng)作的因素及時(shí)消除。使用完善的故障報(bào)警系統(tǒng)，這為事后修理及時(shí)提供故障信息;堅(jiān)持維修保養(yǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以此來增強(qiáng)維修保養(yǎng)的設(shè)備安全性、工作的及時(shí)性以及費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

由于PLC誤動(dòng)作涉及諸多因素，因此必須堅(jiān)持預(yù)防為主、對(duì)癥下藥、統(tǒng)籌綜治以及以人為主等原則，采取管理與技術(shù)2種措施，將一切可能引起PLC誤動(dòng)作的因素及時(shí)消除，以避免PLC誤動(dòng)作的嚴(yán)重危害，保證PLC控制系統(tǒng)工作正常。

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