PLC控制系统的可靠性分析

可编程控制器(PLC)是以微处理器为基础，专业为工业而设计的, 操作方便的数字式电子装置。PLC zui初仅仅是为了替代继电器控制系统而存在，随着科学技术的发展，它渐渐综合了
计算机、自动控制、网络通信等技术，其功能远远超出了继电器系统的功能，在钢铁、化工、制造等领域得到了越来越广泛的应用，极大地促进了现代工业生产的自动化程度。而PLC 控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行, 而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。在现代工业控制系统中，虽然PLC 在设计和制造过程时厂家已采取了多层次的抗干扰措施, 具有一定的稳定性和可靠性,但由于PLC 的应用范围越来越广,应用区域越来越复杂, 所以受到的干扰也就越来越多。过于恶劣的环境或安装使用不当的情况下，都有可能引起PLC 内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件的损坏。因此,研究PLC 控制系统干扰的来源问题、以及如何确保其可靠性等问题尤其具有现实意义。
1、干扰来源的分析
1.1 来自信号线的干扰
PLC 系统连接有各种信号线，这种信号线的连接方式根据梯形图的变化而不同，然而无论何种线路，信号线之间的相互干扰以及信号线对于外界空间的电磁辐射感应是不可避免的，这种称之为电磁干扰。这种干扰会导致I/O口工作异常，从而影响工业测量的准确性，还会对仪器造成严重损害。
1.2 来自电源的干扰
电源是干扰进入可编程控制器的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电设备是主要的干扰源。
1.3 来自感性负载的干扰
感性负载具有储能的作用，当控制触点断开时，电路中的感性负载会产生高于电源电压接近数十倍的反电动势，这种情况从外观是不容易觉察到的；触点吸合时，触点会发生抖动，
从而产生电弧，电弧危害是一种非常严重的电气危害。
1.4 来自接地情况的干扰
在工业控制现场，电器设备频繁启停，动力线路与控制线路结构紧密，这种情况存在严重的磁场干扰。这种干扰也是电磁干扰。
2、增强PLC 可靠性的设计方案
PLC 的可靠性工程是一个系统的工程，要求在工业设计，安装布线，系统维护中都给予全面的考虑，这样才能保证PLC 控制系统的可靠性。具体到设计可靠性方案时，我们首先应该从系统引线部分进行屏蔽，然后对电源系统的设计路线部分进行改造，分层布置，zui后才是对感性负载的处理以及接地方案的准备。
2.1 安装与布线的方案
PLC 控制系统的布线应远离强干扰源，如大功率晶闸管、变频器、大功率硅整流装置和大型动力设备等，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。输入与输出分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设，以防外界信号干扰。交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，且避免并行。
输入接线一般不要超过30m。但是如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当延长。当数字量输入、输出线不能与动力线分开布线时，可用继电器来隔离输入、输出线上的干扰。当信号线距离超过300m 时，应采用中间继电器来转接信号，或使用PLC 的远程I/O 模块。I/O线与电源线应分开走线，并保持一定距离。如不得已要在同一线槽中布线，应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同电缆，如果I/O 线的长度超过300m 时，输入线与输出线应分别使用不同的电缆；数字量、模拟量I/O 线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。如果模拟量输入/ 输出信号距离PLC 较远，应采用4～20mA 或0～10mA 的电流传输方式，而不是电压传输方式，因为电压传输方式非常容易受到干扰。
2.2 电源和感性负载的处理
对于电源的处理：在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在可编程序控制器的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应接地。PLC 供电系统一般采用以下几种方案;
a.使用隔离变压器供电系统。本方案是传统的抗干扰措施, 对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。它抗干扰的原理是原边对高频干扰呈现很高的阻抗,而位于原边、副边绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了原、副边所产生的分布电容,因此原边绕组只存在对屏蔽层的分布电容, 高频干扰通过这个分布电容而被旁路引入地。
b.使用UPS 供电。UPS 是个人PC 上常用的有效保护装置，当输入交流电失电时，UPS 根据不同的容量能继续向PLC 控制器供电10～30 分钟。采用UPS 供电不仅能提高PLC 的供电安全可靠性,也能有较强的抗干扰隔离。
c.采用电源滤波器滤除尖峰脉冲干扰。电源滤波器zui基本的作用就是抑制传导干扰, 它既能防止PLC 电磁波的外泄,又能避免受到外来辐射的干扰,并能有效滤除尖峰脉冲。
对感性负载的处理：PLC 控制系统在输入、输出端有感性负载时，对于交流输入、输出信号，应在负载两端并联电容C 和电阻R，而对于直流输入、输出信号，则要并接续二极管D，二者的处理方法类似。对于交流输入、输出信号的情况如图1 所示。图1 电路中的C、R 要选择合适的值，一般负载容量在10VA 以下的，选取C为0.1uF，R 为120Ω；负载容量在10VA 以上时，选取C 为0.47uF，R 为47Ω。当PLC 输出驱动负载为电磁阀或交流接触器线圈时，在输出与负载元件之间增加继电器进行隔离，其抗干扰性则会更好。
2.3 接地方案
良好的接地是PLC 安全可靠运行的重要条件。常用的接地方式有浮地、直接接地和电容接地三种方式。PLC 控制系统属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分
布电容和输入装置滤波等的影响，设备之间的信号交换频率一般都比较小，所以PLC 控制系统接地线大多采用并联一点接地方式，部件的中心接地点以单独的接地线引向接地极，由于是并联接地，各个电路的地电位只与自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰，故有效地克服了公共地线阻抗的藕合干扰问题。需要提出的是，在选择地线的时候还是应该选择较粗一点，以减小各点之间的电位差，接地线要采用横截面积大于2mm2 的铜导线，接地极的接地电阻小于100Ω，接地极埋在距建筑物10～15m 和远处，接地点必须与强电设备接地点相距10m 以上。
3、增强PLC 可靠性的其它方案
有时候硬件措施不一定能*消除干扰的影响，采用一定的软件措施加以配合，对提高PLC 控制系统的抗干扰能力和可靠性有很好的作用。主要从两个方面入手，首先是从故障的检
测和诊断方面。大量的工程实践表明，PLC 外部输入、输出设备的故障率远远高于PLC 本身的故障率，而这些设备出现故障后，PLC 一般不能觉察出来，可能使故障扩大，直至强电保护装置动作后才停机，有时候甚至会造成设备和人身事故。所以为了PLC 可靠性的考虑，可以用PLC 程序实现故障的自诊断和自处理。另一个方面是消除预知干扰。某些干扰是可以预知的，如PLC的输出命令使执行机构（如大功率电动机、电磁铁）动作，常常会伴随产生火花、电弧等干扰信号，他们产生的干扰信号可能使PLC 接受错误的信息。在容易产生这些干扰的时间内，可以用软件封锁PLC 的某些输入信号，在干扰易发期过去后，再取消封锁。
PLC 控制系统的可靠性是一个关系到方方面面的问题,除了干扰问题，还有稳定性问题都会影响这个PLC 系统的运作。因此在可靠性分析中应综合考虑各方面的因素, 合理有效地抑制抗干扰,增强稳定性,只有能够抓住问题的实质，才能够使PLC 控制系统长期稳定的工作。