PLC控制系统的可靠性设计

导读: plc控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，plc系统的抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。因此，分析研究plc应用中的可靠性和抗干扰技术是十分必要的。

1 引言

　　可编程序控制器（plc）作为新一代的工业控制器，因其具有通用性好，实用性强，硬件配套齐全，编程方法简单易学等优点而广泛应用于电力、机械、纺织、电子、交通运输、石油化工等行业的自动化控制系统中。可编程控制器是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中厂家采取了多层次抗干扰措施，使系统能在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作。运行的稳定性和可靠性很高，plc整机平均无故障工作时间高达几万小时。随着计算技术的发展，plc的功能也越来越强，使用越来越方便。但是，整机的可靠性高只是保证系统可靠工作的前提，还必须在设计和安装plc系统过程中采取相应的措施，才能保证系统可靠工作。如果plc的工作环境过于恶劣，如温度过高、湿度过大、振动和冲击过强，以及电磁干扰严重或安装使用不当等，都会直接影响plc的正常、安全、可靠的运行，

　　加上外围电路的抗干扰措施不力，而使整个控制系统的可靠性大大降低，甚至出现故障。因此，在系统设计时应予以充分的考虑，在硬件上进行适当配置并辅以相应的软件，以实现系统故障的防范。plc控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，plc系统的抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。因此，分析研究plc应用中的可靠性和抗干扰技术是十分必要的。要提高plc控制系统的可靠性，一是在硬件上采取措施;二是在软件上设计相应的保护程序;因此，plc控制系统的抗干扰非常重要。本文将主要探讨plc控制系统中常见的干扰源及其防范措施。

2 干扰源

　　plc系统的干扰源根据其来源分为内部干扰源和外部干扰源。内部干扰源主要包括：由于元器件布局不合理造成内部信号相互串扰;线路中存在的电容性元件引起的寄生振荡;数字地、模拟地和系统地处理不当。外部干扰源包括供电电源电压波动和高次谐波的干扰;开关通断形成的高、低频干扰;动力强电信号在系统中产生感应电势引起的干扰;其它设备通过电容耦合串入控制系统而引起的干扰等。按钮、继电器等工作时触点间产生的电弧，雷击和静电产生的火花放电，接触器线圈、断电器线圈、电磁铁线圈等感应负载断开时产生的浪涌电压，外界的高频加热器、高频淬火设备、杂乱的无线电波信号、电源电压的波动等等，以上这些都是能够使plc出现误动作的典型干扰源，以下简单介绍一下共模干扰和常模干扰。

　　（1） 共模干扰

　　电源线、输入/输出信号线与接地线之间所产生的电位差会对plc内部回路与各线路的外部信号之间的寄生电容进行放电，引起plc内部回路电压剧烈波动，这种干扰称为共模干扰。各导线上感应电弧、高电位的感应电压、电波和静电等均为共模干扰源。寄生电容的容量越小，plc内部回路电压波动也越小。

　　（2） 常模干扰

　　连接在线路上的感性负载或感性电器设备产生的反电势称之为常模干扰，它主要存在于电源线和输入、输出线上，也叫线间干扰。

3 干扰途径

　　plc控制系统受到干扰的主要途径是电源线、输入、输出线和空中等部位。电源被干扰后，plc控制系统的供电质量变差，引起plc控制失灵。输入、输出线被干扰后，出现输入、输出控制紊乱。空中干扰主要以电磁感应、静电感应形式使plc的cpu出现误操作。

4　硬件抗干扰措施

　　4.1 电源干扰的抑制

　　plc系统电源必须要与整个供电系统的动力电源分开，一般在进入plc系统之间加屏蔽隔离变压器。屏蔽隔离变压器的次级侧至plc系统间必须采用不小于2mm2的双绞线。屏蔽体一般位于一、二次侧两线圈之间并与大地连接，这样就可消除线圈间的直接耦合。另外，电源谐波比较严重时，可在隔离稳压器前面加滤波器来消除电源的大部分谐波。必要时可在供电的电源线路上接入低通滤波器，以便滤去高频干扰信号。滤波器应放在隔离变压器之前，即先滤波后隔离。分离供电系统，将控制器、i/o通道和其它设备的供电采用各自的隔离变压器分离开来，也有助于抗电网干扰。

　　4.2 线间干扰的抑制

　　plc控制系统线路中有电源线、输入/输出线、动力线和接地线，布线不恰当则会造成电磁感应和静电感应等干扰，因此必须按照特定要求布线，如尽可能的等间距，以及避免线路绕圈等。

　　（1） 接地线

　　为了安全和抑制干扰，系统一般要正确接地。系统接地方式一般有浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对plc控制系统而言，它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，装置之间的信号交换频率一般都低于1mhz，所以plc控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的plc系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于20mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2ω，接地极最好埋在距建筑物10～15m远处，而且plc系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地;不接地时，应在plc侧接地;信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。plc电源线、i/o电源线、输入、输出信号线，交流线、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线，而且后者应采用屏蔽线，并且将屏蔽层接地。数字传输线也要采用屏蔽线，并且要将屏蔽层接地。plc系统最好单独接地，也可以与其他设备公共接地，但严禁与其他设备串联接地。连接接地线时，应注意以下几点：

　　（a） plc控制系统单独接地。

　　（b） plc系统接地端子是抗干扰的中性端子，应与接地端子连接，其正确接地可以有效消除电源系统的共模干扰。

　　（c） plc系统的接地电阻应小于100ω，接地线至少用20mm2的专用接地线，以防止感应电的产生。

　　（d） 输入输出信号电缆的屏蔽线应与接地端子端连接，且接地良好。

　　（2） 电源线、i/o线与动力线

　　动力电缆为高压大电流线路，plc系统的配线靠近时会产生干扰，因此布线时要将plc的输入输出线与其它控制线分开，不要共用一条电缆。外部布线时应将控制电缆、动力电缆、输入输出线分开且单独布线，它们之间一般应保持30cm以上一定的间距。当实际情况只能允许在同一线槽布线时，应用金属板把控制电缆、动力电缆、输入输出线间隔开来并屏蔽，金属板还必须接地。隔离变压器二次侧的电源线要采用2mm2以上的铜芯聚氯乙烯绝缘双绞软线。经过这样处理的电源线、输入、输出线与动力线就可以减少外界磁场及它们之间的干扰。

　　4.3 外围设备干扰的抑制

　　（1） plc输入与输出端子的保护

　　当输入信号源为感性元件，输出驱动的负载为感性元件时，对于直流电路应在它们两端并联续流二极管。对于交流电路，应在它们两端并联阻容吸收电路。采取以上措施是为了防止在电感性输入或输出电路断开时产生很高的感应电势或浪涌电流对plc输入、输出端点及内部电源的冲击，当plc的驱动元件主要是电磁阀和交流接触器线圈，应在plc输出端与驱动元件之间增加光电隔离的过零型固态继电器ac-ssr。

　　（2） 输入与输出信号的防错

　　当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时，当输出元件为双向晶闸管，或是晶体管输出，而外部负载又很小时，会因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流，使输入电路和外部负载电路不能关断，导致输入与输出信号的错误，为此应在这类输入、输出端并联旁路电阻，以减小plc输入电流和外部负载上的电流。

　　（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。一般在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

　　在控制器触点（开关量）输出的场合，不管控制器本身有无抗干扰措施，都应采用rc吸收（交流负载）或并接续流二级管（直流负载），以吸收感性负载产生的浪涌电压。

　　（5） 冲击电流

　　用晶体管或双向可控硅输出模块驱动白炽灯之类的有较大电源负载时，为保护输出模块，应在plc输出端并接旁路电阻或与负载串联限流电阻。

　　4.4 电磁干扰的抑制

　　根据干扰模式的不同，plc控制系统的电磁干扰分为共模干扰和差模干扰，共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130v以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些plc系统i/o模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流，亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换成共模干扰所形成的电压，这种电压叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。为了保证plc控制系统在工业环境中免受或减少内外上述电磁干扰，必须采取3个方面抑制措施：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。通常一般采用隔离和屏蔽的方法来实现。

　　4.5 安装中的抗干扰措施

　　plc控制系统所处的环境对其自身抗干扰也有一定的关系，因此在安装时应注意以下几个方面。

　　（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。

5 软件抗干扰措施

　　控制器的外部开关量和模拟量输入信号，由于噪声、干扰、开关的误动作、模拟信号误差等因素的影响，不可避免会形成输入信号的错误，引起程序判断失误，造成事故。当按钮、开关作为输入信号时，则不可避免产生抖动;输入信号是继电器触点，有时会产生瞬间跳动，将会引起系统误动作。在这种情况下，可采用定时器延时来去掉抖动，定时时间根据触点抖动情况和系统要求的响应速度而定，这样可保证触点确实稳定闭合（或断开后）才执行。

　　对于模拟信号可采用多种软件滤波方法来提高数据的可靠性。连续采样多次，采样间隔根据ａ/ｄ转换时间和该信号的变化频率而定。采样数据先后存放在不同的数据寄存器中，经比较后取中间值或平均值作为当前输入值。常用的滤波方法有程序判断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、算术平均值滤波、去极值平均滤波等。

　　（1）程序判断滤波适用于对采样信号因受到随机干扰或传感器不稳定而引起的失真进行滤波。设计时根据经验确定两次采样允许的最大偏差，若先后两次采样的信号差值大于偏差，表明输入是干扰信号，应去掉，用上次采样值作为本次采样值。若差值不大于偏差，则本次采样值有效。

　　（2） 中值滤波是连续输入3个采样信号，从中选择一个中间值作为有效采样信号。

　　（3）滑动平均值滤波是将数据存储器的一个区域（20个单元左右）作为循环队列，每次数据采集时先去掉队首的一个数据，再把新数据放入队尾，然后求平均值。

　　（4）去极值平均滤波是连续采样n次，求数据的累加和，同时找出其中的最大值和最小值，从累加和中减去最大值和最小值，再求（n-2）个数据的平均值作为有效的采样值。

　　（5）算术平均值滤波是求连续输入的n个采样数据的算术平均值作为有效的信号。它不能消除明显的脉冲干扰，只是削弱其影响。要提高效果可采用去极值平均滤波。

　　（6）防脉冲干扰平均值滤波是连续进行4次采样，去掉其中的最大值和最小值，再求剩下的两个数据的平均值。它实际上是去极值平均滤波的特例。

　　在设计中还可以用线性插值法、二次抛物线插值法或分段曲线拟合等方法对数据进行非线性补偿，提高数据的线性度。也可采用零位补偿或自动零跟踪补偿等方法来处理零漂，修正误差，提高采样数据的精度。

　　另外还可进行信号相容性检查。包括开关信号之间的状态是否矛盾，模拟信号值的变化范围是否正常，开关量信号与模拟量信号之间是否一致，以及各信号的时序关系是否正确。

6 结束语

　　plc控制系统的可靠性设计在系统设计中占有重要地位，在实际设计中只有根据应用系统的具体特点和应用环境的具体条件，灵活地选择行之有效的可靠性设计技术和抗干扰方法，全面、合理地考虑系统的软件和硬件设计，从总体上提高系统的抗干扰能力和可靠性。

　　plc控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，本文仅对常用的硬件和软件抗干扰措施进行了探讨。在实际开发过程中，应充分考虑到对plc的各种不利因素，在硬件、软件的设计和安装中采取适当的保护措施，就完全可以使控制系统安全、可靠地运行。

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