PLC控制系統的可靠性分析

可編程控制器(PLC)是以微處理器為基礎，專(zhuān)業(yè)為工業(yè)而設計的, 操作方便的數字式電子裝置。PLC zui初僅僅是為了替代繼電器控制系統而存在，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它漸漸綜合了
計算機、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò )通信等技術(shù)，其功能遠遠超出了繼電器系統的功能，在鋼鐵、化工、制造等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應用，極大地促進(jìn)了現代工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而PLC 控制系統的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行, 而系統的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統可靠運行的關(guān)鍵。在現代工業(yè)控制系統中，雖然PLC 在設計和制造過(guò)程時(shí)廠(chǎng)家已采取了多層次的抗干擾措施, 具有一定的穩定性和可靠性,但由于PLC 的應用范圍越來(lái)越廣,應用區域越來(lái)越復雜, 所以受到的干擾也就越來(lái)越多。過(guò)于惡劣的環(huán)境或安裝使用不當的情況下，都有可能引起PLC 內部信息的破壞而導致控制混亂，甚至造成內部元件的損壞。因此,研究PLC 控制系統干擾的來(lái)源問(wèn)題、以及如何確保其可靠性等問(wèn)題尤其具有現實(shí)意義。
1、干擾來(lái)源的分析
1.1 來(lái)自信號線(xiàn)的干擾
PLC 系統連接有各種信號線(xiàn)，這種信號線(xiàn)的連接方式根據梯形圖的變化而不同，然而無(wú)論何種線(xiàn)路，信號線(xiàn)之間的相互干擾以及信號線(xiàn)對于外界空間的電磁輻射感應是不可避免的，這種稱(chēng)之為電磁干擾。這種干擾會(huì )導致I/O口工作異常，從而影響工業(yè)測量的準確性，還會(huì )對儀器造成嚴重損害。
1.2 來(lái)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(guò)供電線(xiàn)路的阻抗耦合產(chǎn)生的，各種大功率用電設備是主要的干擾源。
1.3 來(lái)自感性負載的干擾
感性負載具有儲能的作用，當控制觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，電路中的感性負載會(huì )產(chǎn)生高于電源電壓接近數十倍的反電動(dòng)勢，這種情況從外觀(guān)是不容易覺(jué)察到的；觸點(diǎn)吸合時(shí)，觸點(diǎn)會(huì )發(fā)生抖動(dòng)，
從而產(chǎn)生電弧，電弧危害是一種非常嚴重的電氣危害。
1.4 來(lái)自接地情況的干擾
在工業(yè)控制現場(chǎng)，電器設備頻繁啟停，動(dòng)力線(xiàn)路與控制線(xiàn)路結構緊密，這種情況存在嚴重的磁場(chǎng)干擾。這種干擾也是電磁干擾。
2、增強PLC 可靠性的設計方案
PLC 的可靠性工程是一個(gè)系統的工程，要求在工業(yè)設計，安裝布線(xiàn)，系統維護中都給予全面的考慮，這樣才能保證PLC 控制系統的可靠性。具體到設計可靠性方案時(shí)，我們首先應該從系統引線(xiàn)部分進(jìn)行屏蔽，然后對電源系統的設計路線(xiàn)部分進(jìn)行改造，分層布置，zui后才是對感性負載的處理以及接地方案的準備。
2.1 安裝與布線(xiàn)的方案
PLC 控制系統的布線(xiàn)應遠離強干擾源，如大功率晶閘管、變頻器、大功率硅整流裝置和大型動(dòng)力設備等，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開(kāi)關(guān)柜內。輸入與輸出分開(kāi)走線(xiàn)，開(kāi)關(guān)量與模擬量也要分開(kāi)敷設，以防外界信號干擾。交流輸出線(xiàn)和直流輸出線(xiàn)不要用同一根電纜，輸出線(xiàn)應盡量遠離高壓線(xiàn)和動(dòng)力線(xiàn)，且避免并行。
輸入接線(xiàn)一般不要超過(guò)30m。但是如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線(xiàn)可適當延長(cháng)。當數字量輸入、輸出線(xiàn)不能與動(dòng)力線(xiàn)分開(kāi)布線(xiàn)時(shí)，可用繼電器來(lái)隔離輸入、輸出線(xiàn)上的干擾。當信號線(xiàn)距離超過(guò)300m 時(shí)，應采用中間繼電器來(lái)轉接信號，或使用PLC 的遠程I/O 模塊。I/O線(xiàn)與電源線(xiàn)應分開(kāi)走線(xiàn)，并保持一定距離。如不得已要在同一線(xiàn)槽中布線(xiàn)，應使用屏蔽電纜。交流線(xiàn)與直流線(xiàn)應分別使用不同電纜，如果I/O 線(xiàn)的長(cháng)度超過(guò)300m 時(shí)，輸入線(xiàn)與輸出線(xiàn)應分別使用不同的電纜；數字量、模擬量I/O 線(xiàn)應分開(kāi)敷設，后者應采用屏蔽線(xiàn)。如果模擬量輸入/ 輸出信號距離PLC 較遠，應采用4～20mA 或0～10mA 的電流傳輸方式，而不是電壓傳輸方式，因為電壓傳輸方式非常容易受到干擾。
2.2 電源和感性負載的處理
對于電源的處理：在干擾較強或對可靠性要求很高的場(chǎng)合，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(xiàn)竄入的外來(lái)干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層應接地。PLC 供電系統一般采用以下幾種方案;
a.使用隔離變壓器供電系統。本方案是傳統的抗干擾措施, 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(guò)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 上常用的有效保護裝置，當輸入交流電失電時(shí)，UPS 根據不同的容量能繼續向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zui基本的作用就是抑制傳導干擾, 它既能防止PLC 電磁波的外泄,又能避免受到外來(lái)輻射的干擾,并能有效濾除尖峰脈沖。
對感性負載的處理：PLC 控制系統在輸入、輸出端有感性負載時(shí)，對于交流輸入、輸出信號，應在負載兩端并聯(lián)電容C 和電阻R，而對于直流輸入、輸出信號，則要并接續二極管D，二者的處理方法類(lèi)似。對于交流輸入、輸出信號的情況如圖1 所示。圖1 電路中的C、R 要選擇合適的值，一般負載容量在10VA 以下的，選取C為0.1uF，R 為120Ω；負載容量在10VA 以上時(shí)，選取C 為0.47uF，R 為47Ω。當PLC 輸出驅動(dòng)負載為電磁閥或交流接觸器線(xiàn)圈時(shí)，在輸出與負載元件之間增加繼電器進(jìn)行隔離，其抗干擾性則會(huì )更好。
2.3 接地方案
良好的接地是PLC 安全可靠運行的重要條件。常用的接地方式有浮地、直接接地和電容接地三種方式。PLC 控制系統屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。由于信號電纜分
布電容和輸入裝置濾波等的影響，設備之間的信號交換頻率一般都比較小，所以PLC 控制系統接地線(xiàn)大多采用并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，部件的中心接地點(diǎn)以單獨的接地線(xiàn)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(xiàn)阻抗和地電流有關(guān)，互相之間不會(huì )造成耦合干擾，故有效地克服了公共地線(xiàn)阻抗的藕合干擾問(wèn)題。需要提出的是，在選擇地線(xiàn)的時(shí)候還是應該選擇較粗一點(diǎn)，以減小各點(diǎn)之間的電位差，接地線(xiàn)要采用橫截面積大于2mm2 的銅導線(xiàn)，接地極的接地電阻小于100Ω，接地極埋在距建筑物10～15m 和遠處，接地點(diǎn)必須與強電設備接地點(diǎn)相距10m 以上。
3、增強PLC 可靠性的其它方案
有時(shí)候硬件措施不一定能*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、輸出設備的故障率遠遠高于PLC 本身的故障率，而這些設備出現故障后，PLC 一般不能覺(jué)察出來(lái)，可能使故障擴大，直至強電保護裝置動(dòng)作后才停機，有時(shí)候甚至會(huì )造成設備和人身事故。所以為了PLC 可靠性的考慮，可以用PLC 程序實(shí)現故障的自診斷和自處理。另一個(gè)方面是消除預知干擾。某些干擾是可以預知的，如PLC的輸出命令使執行機構（如大功率電動(dòng)機、電磁鐵）動(dòng)作，常常會(huì )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 接受錯誤的信息。在容易產(chǎn)生這些干擾的時(shí)間內，可以用軟件封鎖PLC 的某些輸入信號，在干擾易發(fā)期過(guò)去后，再取消封鎖。
PLC 控制系統的可靠性是一個(gè)關(guān)系到方方面面的問(wèn)題,除了干擾問(wèn)題，還有穩定性問(wèn)題都會(huì )影響這個(gè)PLC 系統的運作。因此在可靠性分析中應綜合考慮各方面的因素, 合理有效地抑制抗干擾,增強穩定性,只有能夠抓住問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，才能夠使PLC 控制系統長(cháng)期穩定的工作。