PLC控制系统抗干扰可靠性研究

　　可编程序控制器(ＰＬＣ)因其具有可靠性高、功能丰富、扩展能力强、编程方法简单易学等优点而广泛用于工业领域。PLC控制系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键. ＰＬＣ系统可靠性往往不仅仅取决于ＰＬＣ硬件本身的质量好坏,而是与周边设备的质量、硬件的安装方式,软件的编制有很大关系。如何在硬件配置上提高系统对外界环境的抗干扰能力,以及提高软件对不同的工艺、设备情况做出准确、合理判断的能力,是提高系统的可靠性的重要手段。ＰＬＣ控制系统的可靠性往往是从硬件和软件两方面来共同衡量的。

　　1提高硬件部分的抗干扰能力

　　PLC本身工作可靠性是非常高的。有资料表明，在PLC控制系统故障中,PLC的故障仅占系统故障的5%，如图1所示[1]。

　　由图可见,PLC控制系统的故障主要发生在生产现场设备中，通常占系统故障的95%,.与PLC相接的生产现场设备的可靠性是影响PLC.控制系统可靠性的主要因素。

　　工业现场的环境条件往往比较恶劣，例如：极高的湿度和温差变化、强腐蚀、高粉尘、剧烈的冲击、振动以及各种工业电磁和声光、辐射干扰等，都可能影响控制系统的正常工作。外界环境对ＰＬＣ控制系统受到干扰的主要途径是电源线、输入、输出线和空间干扰。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。空间干扰主要以电磁感应、静电感应形式使ＰＬＣ的ＣＰＵ出现误操作。因此,可以从以下几方面着手,提高ＰＬＣ系统对抵抗外界干扰的能力。

　　1.1电源系统

　　电网的冲击将直接影响到实时控制系统的精度和可靠性,有时电网的冲击也将给整个系统带来毁灭性的破坏。ＰＬＣ系统在其电源进线处最好设置隔离变压器、浪涌防护器等保护设备,隔离变压器的屏蔽层良好接地对抑制电网中的干扰信号有良好的效果。同时,输入输出电源线使用双绞线,能减少电源线间的干扰;浪涌保护器可以抑制外部电路中的浪涌电流和尖峰电压;而对一些特别重要的设备还可以分离供电系统、设置交流稳压器和ＵＰＳ电源等设备加以防范。

　　1.2输入与输出端子的保护

　　1.2.1输入端的保护

　　ＰＬＣ输入端最有效的保护方法是外加一级光电耦合器,一旦有高电压侵入回路时,保护级光耦击穿,输入回路被隔离并得到保护。如同更换熔断器一样方便地更换损坏的光耦,故障就可得到及时排除。

　　1.2.2输出端的保护

　　在通常情况下,ＰＬＣ的输出驱动负载有交流和直流负载两类。对交流负载的保护措施是并联阻容吸收电路,以防止浪涌电流对ＰＬＣ输出电路的冲击;对直流负载的保护措施是并联续流二极管,以防止关断时反电势电压对ＰＬＣ输入电路的冲击。但是,当控制系统的交流用电设备较多(如变频器、变压器、ＰＬＣ共处于某一控制系统)及系统的电磁干扰较强时,上述措施已无法有效地抑制干扰对ＰＬＣ及其输出电路的影响。为此,当ＰＬＣ的驱动元件主要是电磁阀和交流接触器线圈时,为了提高系统的可靠性,在ＰＬＣ输出端与驱动元件之间增加过零型固态继电器ＡＣ-ＳＳＲ。

　　1.3接地

　　系统接地对系统的屏蔽接地应采用专用接地方式,接地线直径在2ｍｍ以上,接地电阻应≤10Ω。同时应将工作地与屏蔽地分开,以防止互相干扰。尤其应该注意的是外部设备及传输介质的屏蔽接地,最好是与ＰＬＣ系统共用一个接地带,如果由于位置等原因无法共用,也必须进行接地处理,且接地电阻也应≤10Ω,以防止由于共模干扰对系统的影响。接地线要采取独立的方式,不能用与其它设备串联接地的方式。ＰＬＣ电源线,Ｉ/Ｏ电源线,输入、输出信号线,交、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,后者应用屏蔽线,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。

　　1.4选择合适的接线方式

　　现场信号线接入ＰＬＣ有两种方式:单端和差动输入方式。单端方式就是将信号线负极与ＰＬＣ系统的工作地(即通常所说的负极)接在一起,仅仅将正极接入ＰＬＣ模板的端子,这种接线方式的优点就是节省硬件资源,但容易受到共模干扰,故在外界干扰比较大的地方不宜采用。所谓差动方式就是每一路输入都独立地接入ＰＬＣ系统,这种方式对外界的干扰有较强的抵抗力,但端子的利用率较低,一个12位的1771 ＩＦＥ模拟量输入模板只能接入6路信号,而用单端方式则可接入12路。因此需要根据现场的不同情况选择不同的接线方式。

　　2 软件抗干扰

　　对ＰＬＣ系统的软件部分而言,它的可靠性主要是指软件对错误信号的抵抗力、对设备故障的判断力及对不同工况的适应能力等。因此,可以从以下几个方面来提高软件的强健性。 

　　2.1提高输入信号的可靠性

　　ＰＬＣ系统对现场信号的响应速度大多以毫秒为单位,外界设备的微小变化,都会在ＰＬＣ控制程序中得到迅速的响应。而现场输入信号,由于噪声、干扰、误动作、模拟信号误差等因素的影响，可能会产生瞬间的电平变化,例如当按钮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。这些输入信号的变化被扫描周期中输入采样阶段采样，则会不可避免形成输入信号的错误，引起系统误动作，造成事故。因此须在信号输入端设计定时器滤波电路，滤除这种瞬间产生的错误信号，从而提高系统抗干扰可靠性。

　　2.2增加锁定逻辑,提高系统对设备故障的判断能力。

　　ＰＬＣ在每个扫描周期中只在输入采样阶段对输入端的输入信号状态进行处理。在程序执行阶段,即使输入状态变化,输入映像寄存器的内容也不会改变,这将使输入的高频率信号或窄脉冲不能得到处理[2]。在实际控制系统中,有一些传感器主要是用来保护一些关键设备的,当某些工艺参数达到这些传感器的设定值之后,这些传感器向ＰＬＣ传递一个报警信号,使ＰＬＣ控制程序发出相应的控制命令,但存在这样一个现象:当设备做出相应的动作后,工艺参数随之恢复正常,传感器不再发出报警信号。这样就导致这些报警信号持续时间非常短,远小于采集时间,导致无法采集到这个变化,因此也就没有相应的报警显示。表现为设备运行状态发生变化,但不知道原因。为防止这种情况出现可以在ＰＬＣ程序中增加锁定逻辑,当出现异常工况时,对异常情况进行锁定,这就避免了当上述的现象发生时,无法得知具体的故障部位和故障原因,为判断设备故障提供了一定的依据。

　　2.3跟踪现场设备的动作时间,保护设备安全。

　　当ＰＬＣ控制程序向现场设备发出动作命令后触发计时器动作(计时器的时长为设备正常执行完命令所需时间),当设备在正常时间内完成规定动作后,复位计时器;否则给出报警提示,提示设备可能发生故障,并停止该设备及关联设备的动作,防止对设备造成损坏。

　　3结束语

　　ＰＬＣ控制系统的抗干扰可靠性设计是一项较为复杂的系统工程,它涉及以生产工艺流程、控制理论、硬件/软件选型、仪表、传感器、信号抗干扰、接地、防雷等多方面的知识。同时,还必须具备较为丰富的工程现场施工经验,才能够设计出具有高科学性、高可靠性、高实用性的ＰＬＣ控制系统。实践证明以上这些方法都对提高系统的可靠性起到了作用。

　　参考文献:

　　[1] 熊幸明,PLC控制系统的可靠性设计 [J].自动化仪表2004.4

　　[2]. 陈宇.1998.可编程控制器基础及编程技巧[M].广州:华南理工大学出版社.

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