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摘要：PLC作为通用工业控制计算机，正成为工业控制领域的主流控制设备，在世界工业控制中发挥着越来越大的作用，在PLC实际应用当中，我们要进行各种各样的PLC控制系统设计。本文分析了影响PLC控制系统可靠性的主要因素，提出了提高PLC系统可靠性的有效措施，其中硬件措施由电源的选择、输入输出的保护、外围器件的选型、完善的接地系统和PLC自身的改进等几部分组成；软件措施包括提高输入输出信号的可靠性、信息的保护和恢复、互锁功能的设置、故障检测程序的设计、数据和程序的保护以及软件容错。
关键词：PLC控制系统；可靠性参数；硬件软件设计
前言
可编程序控制器（PLC）已被广泛地应用于工业控制领域，由于PLC中采用了高集成度的微电子器件，其可靠程度是使用机械触点的继电器所不能比拟的。但由于PLC控制系统多工作在工业现场的恶劣环境中，有必要来研究提高PLC控制系统可靠性的设计因素。PLC控制系统通常由PLC和生产现场设备组成。PLC包括中央处理器、主机架、扩展机架及相关的网络与外部设备；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。它们当中任何一个出现故障都会影响系统正常工作。因此，分析其对系统可靠性影响的程度是进行可靠性设计、提高控制系统工作可靠性的重要依据。
一、影响PLC控制系统可靠性的因素
虽然可编程控制器本身具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。
（1）来自空间的辐射干扰
空间的辐射电磁场（EMI）主要由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。这种干扰影响主要来自两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率等因素有关。
（2）来自电源的干扰
PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流。尤其是电网内部的变化，如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。
（3）信号线引入的干扰
与PLC控制系统连接的各类信号传输线除了传输有效的各类信息外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常，大大降低测量精度及输入信号准确性，严重时将引起元器件损伤，甚至重大事故。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成控制逻辑混乱，导致误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模块损坏及引起系统故障的情况很多。另外，由于以下原因也会造成信号不能正确输入或输出。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在出入方面，如机械拉扯，线路自身老化，使现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，而出现错误控制结果；现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，同样会使控制系统不能正常工作。还有在输出方面如控制负载的接触器不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。
二、提高PLC控制系统可靠性的硬件措施
干扰的形成需要同时具备3要素，即干扰源、耦合通道和对干扰敏感的受扰体。因此抗干扰的原则是抑制干扰源、破坏干扰通道和提高受扰体的抗干扰能力。硬件抗干扰技术是系统设计时的首选措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。宁夏英力特煤业有限公司沙巴台煤矿和山西保德泰安煤业的PLC抗干扰即是通过硬件抗扰技术运用保证系统的安全、可靠、稳定运行，降低系统的故障率，减少系统的维护和检修工作量。
（1） 电源的选择
如上所述，电网干扰串入PLC系统主要通过供电电源（如CPU电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合而来。对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的隔离变压器；对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少干扰。电源是选择朝阳稳压电源（4NIC-FD240），并通过滤波器和浪涌吸收装置放在电源的输入端来减轻电网对电源的冲击。
（2） 输入输出的保护
输入通道中的检测信号一般较弱，传输距离可能较长。检测现场干扰严重和电路构成往往模数混杂等因素使输入通道成为PLC系统中最主要的干扰进入通道。在输出通道中，功率驱动部分和驱动对象也可能产生较严重的电气噪声，并通过输出通道耦合作用进入系统。因而尽量多采用数字传感器，并对输入输出通道进行电气隔离等措施。如采用隔离放大器、隔离变压器、纵向扼流圈和光电耦合器等。另外，对于模拟量的输入输出还可采用V/F、F/V转换器。V/F（电压/频率）转换过程是对输入信号的时间积分，因而能对噪声或变化的输入
信号进行平滑处理，使其抗干扰能力更强。PLC的控制信号通过欧姆龙继电器（MY2NJ-DC24V）进行隔离后输出给外部设备，外部设备的返回信号通过欧姆龙继电器（MY2NJ-DC24V）进行隔离后反馈给PLC。
（3） 完善接地系统
在任何包含有电子线路的设备中，接地是抑制噪声和防止干扰的重要方法。接地设计的两个原则一是消除各电路电流流经一个公共地线阻抗所产生的噪声电压；避免形成地环路。二是地线系统尽量合理布置。具体在PLC系统中的地线可划分为数字地线、模拟地线、继电器和电动机等大功率电气设备的噪声地线以及仪器机壳等的屏蔽地线等几种。这些地线应该分开布置，并在一点上与电源地相连。针对不同的地线可采用单点接地或多点接地。在低频电路中，信号频率低于1MHz时它的布线和元器件间的电感影响较小，而接地电路形成环流所产生的干扰影响较大，因而单元电路间宜采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，宜采用多点接地法。当工作频率在1～10MHz之间时，如果用一点接地，其地线长度不超过波长的1/20，否则宜采用多点接地法。不管那种接地，接地线都应尽量加粗，以减小接地阻抗。
三、结语
总之，在控制系统的可靠性设计中只有综合考虑各方面的因素，特别是各种干扰，才能使系统高效稳定的运行。不仅取决于PLC硬件本身的质量好坏，而且与周边设备的质量、硬件的安装方式、软件的编制等有很大关系。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，是提高系统可靠性的重要手段。
参考文献：
[1]袁任光．可编程控制器选用手册．北京：机械工业出版社，2003．
[2]李向东．电气控制与PLC．北京：机械工业出版社，2005．
[3]廖常初.PLC编程及应用[M].机械工业出版社，2003.
论文作者:徐万里,范春雷
论文发表刊物:《基层建设》2015年18期供稿
论文发表时间:2016/1/12
标签：干扰论文; 信号论文; 地线论文; 系统论文; 可靠性论文; 控制系统论文; 电源论文; 《基层建设》2015年18期供稿论文;