PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

1 引言
可編程序控制器(PLC)作為新一代的工業(yè)控制器，因其具有通用性好，實(shí)用性強(qiáng)，硬件配套齊全，編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械、紡織、電子、交通運(yùn)輸、石油化工等行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中?？删幊炭刂破魇菍?zhuān)門(mén)為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中廠家采取了多層次抗干擾措施，使系統(tǒng)能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強(qiáng)電設(shè)備一起工作。運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性很高，PLC整機(jī)平均無(wú)故障工作時(shí)間高達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能也越來(lái)越強(qiáng)，使用越來(lái)越方便。但是，整機(jī)的可靠性高只是保證系統(tǒng)可靠工作的前提，還必須在設(shè)計(jì)和安裝PLC系統(tǒng)過(guò)程中采取相應(yīng)的措施，才能保證系統(tǒng)可靠工作。如果PLC的工作環(huán)境過(guò)于惡劣，如溫度過(guò)高、濕度過(guò)大、振動(dòng)和沖擊過(guò)強(qiáng)，以及電磁干擾嚴(yán)重或安裝使用不當(dāng)?shù)?，都?huì)直接影響PLC的正常、安全、可靠的運(yùn)行， 加上外圍電路的抗干擾措施不力，而使整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性大大降低，甚至出現(xiàn)故障。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分的考慮，在硬件上進(jìn)行適當(dāng)配置并輔以相應(yīng)的軟件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的防范。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，PLC系統(tǒng)的抗干擾能力是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，分析研究PLC應(yīng)用中的可靠性和抗干擾技術(shù)是十分必要的。要提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，一是在硬件上采取措施;二是在軟件上設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)程序;因此，PLC控制系統(tǒng)的抗干擾非常重要。本文將主要探討PLC控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾源及其防范措施。
2 干擾源
PLC系統(tǒng)的干擾源根據(jù)其來(lái)源分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源。內(nèi)部干擾源主要包括:由于元器件布局不合理造成內(nèi)部信號(hào)相互串?dāng)_;線路中存在的電容性元件引起的寄生振蕩;數(shù)字地、模擬地和系統(tǒng)地處理不當(dāng)。外部干擾源包括供電電源電壓波動(dòng)和高次諧波的干擾;開(kāi)關(guān)通斷形成的高、低頻干擾;動(dòng)力強(qiáng)電信號(hào)在系統(tǒng)中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)引起的干擾;其它設(shè)備通過(guò)電容耦合串入控制系統(tǒng)而引起的干擾等。按鈕、繼電器等工作時(shí)觸點(diǎn)間產(chǎn)生的電弧，雷擊和靜電產(chǎn)生的火花放電，接觸器線圈、斷電器線圈、電磁鐵線圈等感應(yīng)負(fù)載斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓，外界的高頻加熱器、高頻淬火設(shè)備、雜亂的無(wú)線電波信號(hào)、電源電壓的波動(dòng)等等，以上這些都是能夠使PLC出現(xiàn)誤動(dòng)作的典型干擾源，以下簡(jiǎn)單介紹一下共模干擾和常模干擾。
(1) 共模干擾
電源線、輸入/輸出信號(hào)線與接地線之間所產(chǎn)生的電位差會(huì)對(duì)PLC內(nèi)部回路與各線路的外部信號(hào)之間的寄生電容進(jìn)行放電，引起PLC內(nèi)部回路電壓劇烈波動(dòng)，這種干擾稱(chēng)為共模干擾。各導(dǎo)線上感應(yīng)電弧、高電位的感應(yīng)電壓、電波和靜電等均為共模干擾源。寄生電容的容量越小，PLC內(nèi)部回路電壓波動(dòng)也越小。
(2) 常模干擾
連接在線路上的感性負(fù)載或感性電器設(shè)備產(chǎn)生的反電勢(shì)稱(chēng)之為常模干擾，它主要存在于電源線和輸入、輸出線上，也叫線間干擾。
3 干擾途徑
PLC控制系統(tǒng)受到干擾的主要途徑是電源線、輸入、輸出線和空中等部位。電源被干擾后，PLC控制系統(tǒng)的供電質(zhì)量變差，引起PLC控制失靈。輸入、輸出線被干擾后，出現(xiàn)輸入、輸出控制紊亂?？罩懈蓴_主要以電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)形式使PLC的CPU出現(xiàn)誤操作。
4　硬件抗干擾措施
4.1 電源干擾的抑制
PLC系統(tǒng)電源必須要與整個(gè)供電系統(tǒng)的動(dòng)力電源分開(kāi)，一般在進(jìn)入PLC系統(tǒng)之間加屏蔽隔離變壓器。屏蔽隔離變壓器的次級(jí)側(cè)至PLC系統(tǒng)間必須采用不小于2mm2的雙絞線。屏蔽體一般位于一、二次側(cè)兩線圈之間并與大地連接，這樣就可消除線圈間的直接耦合。另外，電源諧波比較嚴(yán)重時(shí)，可在隔離穩(wěn)壓器前面加濾波器來(lái)消除電源的大部分諧波。必要時(shí)可在供電的電源線路上接入低通濾波器，以便濾去高頻干擾信號(hào)。濾波器應(yīng)放在隔離變壓器之前，即先濾波后隔離。分離供電系統(tǒng)，將控制器、I/O通道和其它設(shè)備的供電采用各自的隔離變壓器分離開(kāi)來(lái)，也有助于抗電網(wǎng)干擾。
4.2 線間干擾的抑制
PLC控制系統(tǒng)線路中有電源線、輸入/輸出線、動(dòng)力線和接地線，布線不恰當(dāng)則會(huì)造成電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)等干擾，因此必須按照特定要求布線，如盡可能的等間距，以及避免線路繞圈等。
(1) 接地線
為了安全和抑制干擾，系統(tǒng)一般要正確接地。系統(tǒng)接地方式一般有浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對(duì)PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號(hào)交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應(yīng)采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。用一根大截面銅母線(或絕緣電纜)連接各裝置的柜體中心接地點(diǎn)，然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于20mm2的銅導(dǎo)線，總母線使用截面大于60mm2的銅排。接地極的接地電阻小于2Ω，接地極最好埋在距建筑物10～15m遠(yuǎn)處，而且PLC系統(tǒng)接地點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10m以上。信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地;不接地時(shí)，應(yīng)在PLC側(cè)接地;信號(hào)線中間有接頭時(shí)，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地;多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞總屏電纜連接時(shí)，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理。選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c(diǎn)接點(diǎn)。PLC電源線、I/O電源線、輸入、輸出信號(hào)線，交流線、直流線都應(yīng)盡量分開(kāi)布線。開(kāi)關(guān)量信號(hào)線與模擬量信號(hào)線也應(yīng)分開(kāi)布線，而且后者應(yīng)采用屏蔽線，并且將屏蔽層接地。數(shù)字傳輸線也要采用屏蔽線，并且要將屏蔽層接地。PLC系統(tǒng)最好單獨(dú)接地，也可以與其他設(shè)備公共接地，但嚴(yán)禁與其他設(shè)備串聯(lián)接地。連接接地線時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(a) PLC控制系統(tǒng)單獨(dú)接地。
(b) PLC系統(tǒng)接地端子是抗干擾的中性端子，應(yīng)與接地端子連接，其正確接地可以有效消除電源系統(tǒng)的共模干擾。
(c) PLC系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)小于100Ω，接地線至少用20mm2的專(zhuān)用接地線，以防止感應(yīng)電的產(chǎn)生。
(d) 輸入輸出信號(hào)電纜的屏蔽線應(yīng)與接地端子端連接，且接地良好。
(2) 電源線、I/O線與動(dòng)力線
動(dòng)力電纜為高壓大電流線路，PLC系統(tǒng)的配線靠近時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾，因此布線時(shí)要將PLC的輸入輸出線與其它控制線分開(kāi)，不要共用一條電纜。外部布線時(shí)應(yīng)將控制電纜、動(dòng)力電纜、輸入輸出線分開(kāi)且單獨(dú)布線，它們之間一般應(yīng)保持30cm以上一定的間距。當(dāng)實(shí)際情況只能允許在同一線槽布線時(shí)，應(yīng)用金屬板把控制電纜、動(dòng)力電纜、輸入輸出線間隔開(kāi)來(lái)并屏蔽，金屬板還必須接地。隔離變壓器二次側(cè)的電源線要采用2mm2以上的銅芯聚氯乙烯絕緣雙絞軟線。經(jīng)過(guò)這樣處理的電源線、輸入、輸出線與動(dòng)力線就可以減少外界磁場(chǎng)及它們之間的干擾。
4.3 外圍設(shè)備干擾的抑制
(1) PLC輸入與輸出端子的保護(hù)
當(dāng)輸入信號(hào)源為感性元件，輸出驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為感性元件時(shí)，對(duì)于直流電路應(yīng)在它們兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。對(duì)于交流電路，應(yīng)在它們兩端并聯(lián)阻容吸收電路。采取以上措施是為了防止在電感性輸入或輸出電路斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)或浪涌電流對(duì)PLC輸入、輸出端點(diǎn)及內(nèi)部電源的沖擊，當(dāng)PLC的驅(qū)動(dòng)元件主要是電磁閥和交流接觸器線圈，應(yīng)在PLC輸出端與驅(qū)動(dòng)元件之間增加光電隔離的過(guò)零型固態(tài)繼電器AC-SSR。
(2) 輸入與輸出信號(hào)的防錯(cuò)
當(dāng)輸入信號(hào)源為晶體管，或是光電開(kāi)關(guān)輸出類(lèi)型時(shí)，當(dāng)輸出元件為雙向晶閘管，或是晶體管輸出，而外部負(fù)載又很小時(shí)，會(huì)因?yàn)檫@類(lèi)輸出元件在關(guān)斷時(shí)有較大的漏電流，使輸入電路和外部負(fù)載電路不能關(guān)斷，導(dǎo)致輸入與輸出信號(hào)的錯(cuò)誤，為此應(yīng)在這類(lèi)輸入、輸出端并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負(fù)載上的電流。
(3) 漏電流
當(dāng)采用接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等DC兩線式傳感器輸入信號(hào)時(shí)，若漏電流較大時(shí)，應(yīng)考慮由此而產(chǎn)生的誤動(dòng)作，使PLC輸入信號(hào)不能關(guān)斷。一般在PLC輸入端子上接一旁路電阻以減少輸入阻抗。同樣用雙向可控硅為輸出時(shí)，為避免漏電流等原因引起輸出的元件關(guān)斷不了，也可以在輸出端并聯(lián)一旁路電阻。
(4) 浪涌電壓
在控制器觸點(diǎn)(開(kāi)關(guān)量)輸出的場(chǎng)合，不管控制器本身有無(wú)抗干擾措施，都應(yīng)采用RC吸收(交流負(fù)載)或并接續(xù)流二級(jí)管(直流負(fù)載)，以吸收感性負(fù)載產(chǎn)生的浪涌電壓。
(5) 沖擊電流
用晶體管或雙向可控硅輸出模塊驅(qū)動(dòng)白熾燈之類(lèi)的有較大電源負(fù)載時(shí)，為保護(hù)輸出模塊，應(yīng)在PLC輸出端并接旁路電阻或與負(fù)載串聯(lián)限流電阻。
4.4 電磁干擾的抑制
根據(jù)干擾模式的不同，PLC控制系統(tǒng)的電磁干擾分為共模干擾和差模干擾，共模干擾是信號(hào)對(duì)地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)(同方向)電壓迭加所形成。共模電壓有時(shí)較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電時(shí)，變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過(guò)不對(duì)稱(chēng)電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件損壞(這就是一些PLC系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因)，這種共模干擾可為直流，亦可為交流。差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換成共模干擾所形成的電壓，這種電壓疊加在信號(hào)上，直接影響測(cè)量與控制精度。為了保證PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中免受或減少內(nèi)外上述電磁干擾，必須采取3個(gè)方面抑制措施:抑制干擾源;切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑;提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。通常一般采用隔離和屏蔽的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.5 安裝中的抗干擾措施
PLC控制系統(tǒng)所處的環(huán)境對(duì)其自身抗干擾也有一定的關(guān)系，因此在安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。
(1) 濾波器、隔離穩(wěn)壓器應(yīng)設(shè)在PLC柜電源進(jìn)線口處，不讓干擾進(jìn)入柜內(nèi)，或盡量縮短進(jìn)線距離。
(2) PLC控制柜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離高壓柜、大動(dòng)力設(shè)備、高頻設(shè)備。
(3) PLC控制柜要遠(yuǎn)離繼電器之類(lèi)的電磁線圈和容易產(chǎn)生電弧的觸點(diǎn)。
(4) 整臺(tái)PLC機(jī)要遠(yuǎn)離發(fā)熱的電氣設(shè)備或其它熱源，并置放在通風(fēng)良好的位置上。
(5) PLC程控器的外部要有可靠的防水系統(tǒng)以防止雨水進(jìn)入，造成機(jī)器損壞。

5 軟件抗干擾措施

控制器的外部開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入信號(hào)，由于噪聲、干擾、開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作、模擬信號(hào)誤差等因素的影響，不可避免會(huì)形成輸入信號(hào)的錯(cuò)誤，引起程序判斷失誤，造成事故。當(dāng)按鈕、開(kāi)關(guān)作為輸入信號(hào)時(shí)，則不可避免產(chǎn)生抖動(dòng);輸入信號(hào)是繼電器觸點(diǎn)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間跳動(dòng)，將會(huì)引起系統(tǒng)誤動(dòng)作。在這種情況下，可采用定時(shí)器延時(shí)來(lái)去掉抖動(dòng)，定時(shí)時(shí)間根據(jù)觸點(diǎn)抖動(dòng)情況和系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度而定，這樣可保證觸點(diǎn)確實(shí)穩(wěn)定閉合(或斷開(kāi)后)才執(zhí)行。
對(duì)于模擬信號(hào)可采用多種軟件濾波方法來(lái)提高數(shù)據(jù)的可靠性。連續(xù)采樣多次，采樣間隔根據(jù)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換時(shí)間和該信號(hào)的變化頻率而定。采樣數(shù)據(jù)先后存放在不同的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)比較后取中間值或平均值作為當(dāng)前輸入值。常用的濾波方法有程序判斷濾波、中值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算術(shù)平均值濾波、去極值平均濾波等。
(1) 程序判斷濾波適用于對(duì)采樣信號(hào)因受到隨機(jī)干擾或傳感器不穩(wěn)定而引起的失真進(jìn)行濾波。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定兩次采樣允許的最大偏差，若先后兩次采樣的信號(hào)差值大于偏差，表明輸入是干擾信號(hào)，應(yīng)去掉，用上次采樣值作為本次采樣值。若差值不大于偏差，則本次采樣值有效。
(2) 中值濾波是連續(xù)輸入3個(gè)采樣信號(hào)，從中選擇一個(gè)中間值作為有效采樣信號(hào)。
(3) 滑動(dòng)平均值濾波是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一個(gè)區(qū)域(20個(gè)單元左右)作為循環(huán)隊(duì)列，每次數(shù)據(jù)采集時(shí)先去掉隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，再把新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，然后求平均值。
(4) 去極值平均濾波是連續(xù)采樣N次，求數(shù)據(jù)的累加和，同時(shí)找出其中的最大值和最小值，從累加和中減去最大值和最小值，再求(N-2)個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為有效的采樣值。
(5) 算術(shù)平均值濾波是求連續(xù)輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為有效的信號(hào)。它不能消除明顯的脈沖干擾，只是削弱其影響。要提高效果可采用去極值平均濾波。
(6) 防脈沖干擾平均值濾波是連續(xù)進(jìn)行4次采樣，去掉其中的最大值和最小值，再求剩下的兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。它實(shí)際上是去極值平均濾波的特例。
在設(shè)計(jì)中還可以用線性插值法、二次拋物線插值法或分段曲線擬合等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補(bǔ)償，提高數(shù)據(jù)的線性度。也可采用零位補(bǔ)償或自動(dòng)零跟蹤補(bǔ)償?shù)确椒▉?lái)處理零漂，修正誤差，提高采樣數(shù)據(jù)的精度。
另外還可進(jìn)行信號(hào)相容性檢查。包括開(kāi)關(guān)信號(hào)之間的狀態(tài)是否矛盾，模擬信號(hào)值的變化范圍是否正常，開(kāi)關(guān)量信號(hào)與模擬量信號(hào)之間是否一致，以及各信號(hào)的時(shí)序關(guān)系是否正確。

6 結(jié)束語(yǔ)
PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要地位，在實(shí)際設(shè)計(jì)中只有根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的具體特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境的具體條件，靈活地選擇行之有效的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)和抗干擾方法，全面、合理地考慮系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)，從總體上提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。
PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對(duì)有些干擾情況還需做具體分析，本文僅對(duì)常用的硬件和軟件抗干擾措施進(jìn)行了探討。在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮到對(duì)PLC的各種不利因素，在硬件、軟件的設(shè)計(jì)和安裝中采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，就完全可以使控制系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。