試論如何確保PLC控制系統(tǒng)的可靠性

葉亮

[摘 ?要]分析了PLC控制系統(tǒng)在可靠性上存在的問題，主要從抗干擾和穩(wěn)定性方面入手，利用硬件與軟件相結(jié)合的方法，解決了一些PLC系統(tǒng)中存在的穩(wěn)定性問題。

[關(guān)鍵詞]PLC;抗干擾;可靠性;感性負(fù)載

中圖分類號：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）24-0095-01

引言

可編程控制器（PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，專業(yè)為工業(yè)而設(shè)計(jì)的， 操作方便的數(shù)字式電子裝置。PLC最初僅僅是為了替代繼電器控制系統(tǒng)而存在，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它漸漸綜合了計(jì)算機(jī)、自動控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了繼電器系統(tǒng)的功能，在鋼鐵、化工、制造等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度。而PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行， 而系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，雖然PLC在設(shè)計(jì)和制造過程時(shí)廠家已采取了多層次的抗干擾措施， 具有一定的穩(wěn)定性和可靠性，但由于PLC的應(yīng)用范圍越來越廣，應(yīng)用區(qū)域越來越復(fù)雜， 所以受到的干擾也就越來越多。過于惡劣的環(huán)境或安裝使用不當(dāng)?shù)那闆r下，都有可能引起PLC內(nèi)部信息的破壞而導(dǎo)致控制混亂，甚至造成內(nèi)部元件的損壞。因此，研究PLC控制系統(tǒng)干擾的來源問題、以及如何確保其可靠性等問題尤其具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 干擾來源的分析

1.1 來自信號線的干擾

PLC系統(tǒng)連接有各種信號線，這種信號線的連接方式根據(jù)梯形圖的變化而不同，然而無論何種線路，信號線之間的相互干擾以及信號線對于外界空間的電磁輻射感應(yīng)是不可避免的，這種稱之為電磁干擾。這種干擾會導(dǎo)致I/O口工作異常，從而影響工業(yè)測量的準(zhǔn)確性，還會對儀器造成嚴(yán)重?fù)p害。

1.2 來自電源的干擾

電源是干擾進(jìn)入可編程控制器的主要途徑之一，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。

1.3 來自感性負(fù)載的干擾

感性負(fù)載具有儲能的作用，當(dāng)控制觸點(diǎn)斷開時(shí)，電路中的感性負(fù)載會產(chǎn)生高于電源電壓接近數(shù)十倍的反電動勢，這種情況從外觀是不容易覺察到的;觸點(diǎn)吸合時(shí)，觸點(diǎn)會發(fā)生抖動，從而產(chǎn)生電弧，電弧危害是一種非常嚴(yán)重的電氣危害。

1.4 來自接地情況的干擾

在工業(yè)控制現(xiàn)場，電器設(shè)備頻繁啟停，動力線路與控制線路結(jié)構(gòu)緊密，這種情況存在嚴(yán)重的磁場干擾。這種干擾也是電磁干擾。

2 增強(qiáng)PLC可靠性的設(shè)計(jì)方案

PLC的可靠性工程是一個(gè)系統(tǒng)的工程，要求在工業(yè)設(shè)計(jì)，安裝布線，系統(tǒng)維護(hù)中都給予全面全方位的考慮，這樣才能保證PLC控制系統(tǒng)的可靠性。具體到設(shè)計(jì)可靠性方案時(shí)，我們首先應(yīng)該從系統(tǒng)引線部分進(jìn)行屏蔽，然后對電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)路線部分進(jìn)行改造，分層布置，最后才是對感性負(fù)載的處理以及接地方案的準(zhǔn)備。

2.1 安裝與布線的方案

PLC控制系統(tǒng)的布線應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，如大功率晶閘管、變頻器、大功率硅整流裝置和大型動力設(shè)備等，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)。輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)，以防外界信號干擾。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動力線，且避免并行。

輸入接線一般不要超過30m。但是如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)延長。當(dāng)數(shù)字量輸入、輸出線不能與動力線分開布線時(shí)，可用繼電器來隔離輸入、輸出線上的干擾。當(dāng)信號線距離超過300m時(shí)，應(yīng)采用中間繼電器來轉(zhuǎn)接信號，或使用PLC的遠(yuǎn)程I/O模塊。I/O線與電源線應(yīng)分開走線，并保持一定距離。如不得已要在同一線槽中布線，應(yīng)使用屏蔽電纜。交流線與直流線應(yīng)分別使用不同電纜，如果I/O線的長度超過300m時(shí)，輸入線與輸出線應(yīng)分別使用不同的電纜;數(shù)字量、模擬量I/O線應(yīng)分開敷設(shè)，后者應(yīng)采用屏蔽線。如果模擬量輸入/ 輸出信號距離PLC較遠(yuǎn)，應(yīng)采用4～20m A 或0～10m A 的電流傳輸方式，而不是電壓傳輸方式，因?yàn)殡妷簜鬏敺绞椒浅Ｈ菀资艿礁蓴_。

2.2 電源和感性負(fù)載的處理

對于電源的處理：在干擾較強(qiáng)或?qū)煽啃砸蠛芨叩膱龊?，可以在可編程序控制器的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器，隔離變壓器可以抑制從電源線竄入的外來干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層應(yīng)接地。PLC供電系統(tǒng)一般采用以下幾種方案;a.使用隔離變壓器供電系統(tǒng)。本方案是傳統(tǒng)的抗干擾措施， 對電網(wǎng)尖峰脈沖干擾有很好的效果。它抗干擾的原理是原邊對高頻干擾呈現(xiàn)很高的阻抗，而位于原邊、副邊繞組之間的金屬屏蔽層又阻隔了原、副邊所產(chǎn)生的分布電容，因此原邊繞組只存在對屏蔽層的分布電容， 高頻干擾通過這個(gè)分布電容而被旁路引入地。b.使用UPS 供電。UPS是個(gè)人PC上常用的有效保護(hù)裝置，當(dāng)輸入交流電失電時(shí)，UPS根據(jù)不同的容量能繼續(xù)向 PLC 控制器供電10～30分鐘。采用UPS供電不僅能提高PLC的供電安全可靠性，也能有較強(qiáng)的抗干擾隔離。c.采用電源濾波器濾除尖峰脈沖干擾。電源濾波器最基本的作用就是抑制傳導(dǎo)干擾， 它既能防止PLC電磁波的外泄，又能避免受到外來輻射的干擾，并能有效濾除尖峰脈沖。

2.3 接地方案

良好的接地是PLC安全可靠運(yùn)行的重要條件。常用的接地方式有浮地、直接接地和電容接地三種方式。PLC控制系統(tǒng)屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，設(shè)備之間的信號交換頻率一般都比較小，所以PLC控制系統(tǒng)接地線大多采用并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，部件的中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線引向接地極，由于是并聯(lián)接地，各個(gè)電路的地電位只與自身的地線阻抗和地電流有關(guān)，互相之間不會造成耦合干擾，故有效地克服了公共地線阻抗的藕合干擾問題。需要提出的是，在選擇地線的時(shí)候還是應(yīng)該選擇較粗一點(diǎn)，以減小各點(diǎn)之間的電位差，接地線要采用橫截面積大于 2mm2的銅導(dǎo)線，接地極的接地電阻小于100Ω，接地極最好埋在距建筑物 10～15m 和遠(yuǎn)處，接地點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10m以上。

3 增強(qiáng)PLC可靠性的其它方案

有時(shí)候硬件措施不一定能完全消除干擾的影響，采用一定的軟件措施加以配合，對提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性有很好的作用。主要從兩個(gè)方面入手，首先是從故障的檢測和診斷方面。大量的工程實(shí)踐表明，PLC外部輸入、輸出設(shè)備的故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PLC本身的故障率，而這些設(shè)備出現(xiàn)故障后，PLC一般不能覺察出來，可能使故障擴(kuò)大，直至強(qiáng)電保護(hù)裝置動作后才停機(jī)，有時(shí)候甚至?xí)斐稍O(shè)備和人身事故。所以為了PLC可靠性的考慮，可以用PLC程序?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷和自處理。另一個(gè)方面是消除預(yù)知干擾。某些干擾是可以預(yù)知的，如PLC的輸出命令使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如大功率電動機(jī)、電磁鐵）動作，常常會伴隨產(chǎn)生火花、電弧等干擾信號，他們產(chǎn)生的干擾信號可能使PLC接受錯(cuò)誤的信息。在容易產(chǎn)生這些干擾的時(shí)間內(nèi)，可以用軟件封鎖PLC的某些輸入信號，在干擾易發(fā)期過去后，再取消封鎖。

4 結(jié)論

PLC控制系統(tǒng)的可靠性是一個(gè)關(guān)系到方方面面的問題，除了干擾問題，還有穩(wěn)定性問題都會影響這個(gè) PLC 系統(tǒng)的運(yùn)作。因此在可靠性分析中應(yīng)綜合考慮各方面的因素， 合理有效地抑制抗干擾，增強(qiáng)穩(wěn)定性，只有能夠抓住問題的實(shí)質(zhì)，才能夠使PLC控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊幸明.PLC控制系統(tǒng)接地抗干擾技術(shù)的研究[J]. 低壓電器. 2014（06）.