了解影响PLC控制系统可靠性设计的因素及解决方案

一、引言

PLC是可编程序控制器，在工业控制领域中得到了广泛的应用。高集成度微电子器件的使用使其可靠性大大增大，并远远高于机械触点的继电器。但由于其工作环境恶劣，对于PLC控制系统的可靠性仍有待于提高，来应对现场情况对其可靠性的影响。一般情况下，可编程序控制器PLC以及生产现场的设备共同组成PLC控制系统，其中PLC包括中央处理器、主机架、扩展机架及相关的网络以及外部设备，生产现场设备包括触摸屏、工控机、继电器、接触器、接近开关、极限位置检测开关、安全保护、传感器、仪表、接线盒、接线端子、电动机、电源线、地线、信号线等。只有使以上的每一个部分的可靠性得到保证，才能使整个PLC控制系统的可靠性得到保证。

二、影响PLC系统可靠性的干扰源

通过对影响PLC控制系统的干扰源进行分类，以其为分界，可分为内部干扰源和外部干扰源。内部干扰源的有法原因主要包括：在对元器件进行布局时存在不合理性，使内部产生的信号互相干扰；线路中有电容性元件的存在，使其产生寄生振荡；其外部干扰源主要原因有供电电源电压产生波动，高次谐波产生的干扰，由于开关通断形成的高、低频干扰，部分强信号产生的感应电势从而产生的干扰；其它设备由于串入控制系统的电容耦合而产生的干扰等等。

干扰源的干扰途径主要是在电源线、输入、输出线和空中等部位。发生在电源线上的干扰会使供电质量下降，使PLC控制的灵敏度降低；发生在输入、输出线上的干扰会使PLC控制发生紊乱；发生在空中的干扰会使PLC的CPU操作失误。

三、采取的硬件措施保证PLC系统的可靠性

1.抑制电源干扰

一般情况下，PLC系统电源与供电系统的动力电源是分离的，在进入PLC系统之间加屏蔽隔离变压器。在隔离变压器的次级侧与PLC系统间使用大于等于2m2的双绞线。在一、二次侧的两线圈之间放置屏蔽体，并与大地相连，这样可以有效的避免线圈间的直接耦合。对于消除电源谐波可以通过在隔离稳压器前使用滤波器的方法。

2.抑制线间干扰

在PLC控制系统的线路中主要包括电源线、输入/输出线、动力线和接地线，若不限存在问题，则会产生电磁感应和静电感应等干扰，因此控制系统的布线对于布线间距以及线路的绕圈情况等是有要求的，必须严格按要求进行布线。

（1）地线的连接

控制系统采用正确的接地方式，是安全的保证也是抑制干扰的需要。一般接地方式主要有浮地式、直接式以及电容式三种，对于PLC系统而言由于其属高速低电平控制装置，因而采用直接式。

（2）电源线、I/O线与动力线的连接

动力电缆属于高压大电流线路，若系统的配线接近则会产生干扰，因此在进行布线时要将PLC的输入输出线与其他控制线分开，避免使用一条电缆。在对外部进行布线时对于控制电缆、动力电缆、输入输出线三者的间距一般控制在30cm以上。若实际情况不允许，只能提供同一线槽布线时，要使用金属板将其三者间隔屏蔽，此时金属板需与地连接。采用此布置原则可以使外界磁场以及这三者之间的相互干扰得到减少。

3.抑制外围设备干扰

（1）PLC的输入与输出端子的保护

为避免电感性输入或输出电路断开时产生的较高的感应电势对PLC产生较大的冲击影响，且PLC的驱动元件主要由电磁阀和交流接触器线圈时，在驱动元件与PLC输出端中间使用过零型固态继电器AC-SSR是行之有效的解决方式。

（2）输入与输出信号的防错

为减少PLC输入电流和外部负载上的电流一般采取并联旁路电阻在输入、输出端的方式。

（3）漏电流

当采用接近开关、光电开关等DC两线式传感器输入信号时，若漏电流较大时，应考虑由此而产生的误动作，使PLC输入信号不能关断。此时可以采用在PLC输入端子上接一旁路电阻以减少输入阻抗。同样用双向可控硅为输出时，为避免漏电流等原因引起输出的元件关断不了，也可以在输出端并联一旁路电阻。

（4）浪涌电压

在控制器为触点输出时，不管该控制器本身是否能够抗干扰，对于交流负载采取RC吸收，对于直流负载采用续流二级管来对感性负载产生的浪涌电压进行吸收。

（5）冲击电流

用晶体管或双向可控硅输出模块对白炽灯或其他的有较大电源的负载进行驱动时，需要在PLC输出端与旁路电阻进行并接或负载串联使电阻限流来保护输出模块。

4.抑制电磁干扰

根据PLC控制系统中电磁干扰干扰模式的不同，可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，在采用隔离性能差的配电器供电时，共模电压会比较大，有的甚至可以高达130V以上。共模电压与差模电压的转换可通过不对称电路，对其测控信号直接产生了影响，使元器件发生损坏。共模干扰既可以是直流又可以是交流。信号两极间的干扰电压称为差模干扰，对于测量与控制精度都有极大的影响。为了对上述电磁干扰进行抑制来保证PLC控制系统的可靠性，一般采取以下三种措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。

5.安装中的抗干扰措施

PLC控制系统所处的环境对其自身的抗干扰能力也存在一定的影响。因此在安装时应注意：

（1）滤波器、隔离稳压器应设在PLC柜电源进线口处，不让干扰进入柜内，或尽量缩短进线距离。

（2）PLC控制柜应尽可能远离高压柜、大动力设备、高频设备。

（3）PLC控制柜要远离继电器之类的电磁线圈和容易产生电弧的触点。

（4）整台PLC机要远离发热的电气设备或其它热源，并置放在通风良好的位置上。

（5）PLC程控器的外部要有可靠的防水系统以防止雨水进入，造成机器损坏。

四、采取的软件措施保证PLC系统的可靠性

1.输入输出信号的可靠性的提高

对于提高输入输出信号的可靠性主要有以下三种方法：开关型传感器信号的“去抖动”措施、数字滤波、以及指令冗余。

2.信息的保护和恢复

偶发性故障一般不会对PLC内部的信息造成破坏，在故障消失后信息即可恢复，使原来的工作继续。在PLC在检测到故障条件时，要立马将现状态存储于存储器，并通过相应的软件对存储器进行封闭，使外界不能对存储器进行操作，以防止存储器信息的丢失。当外界环境恢复正常时，检测到外界环境正常后PLC可继续进行原来的工作程序。

3.互锁功能的设置

互锁功能在大多数的工艺控制并无明确的要求，但出于对提高系统的可靠性的考虑，在硬件设计和编程中必须加以考虑。因为PLC内部逻辑上的互锁会在外电路发生故障时失效。

4.故障检测程序的设计

在故障的发生频率的统计中，PLC本身的故障率远远低于PLC外部的输人、输出元件的故障率。当外部的元件发生故障时，一般PLC不会自动停机。要想使整个系统的可靠性得到进一步的提高，还需要在软件中增加故障检测程序。采用的检测方法主要有时 间故障检测法以及逻辑错误检测法。

5.软件容错

在程序编制中对软件容错技术的采用，能够使PLC在信号出错的情况下及时的甄别错误，并能不受错误信号的影响继续工作。

其工作过程主要是：对于对设备不会产生严重影响的故障信号，在程序中采取不同时间的判断，以避免“伪报警”情况的出现。在延时后若信号未消失则采取进一步的行动。

这样的逻辑顺序可以使系统在个别信号出现错误时，其正常的逻辑功能不受影响。

五、结语

PLC控制系统是由硬件与软件双重决定的，对于这两方面采取的改进措施是提高系统可靠性的重要手段，在上述提到的改进方式都是经过实践得出的切实可行的手段，在对提高PLC系统的可靠性中起到了非常重要的作用。（作者：龚小花）