影响PLC控制系统可靠性的因素及改进措施

摘 要分析影响PLC控制系统可靠性的主要因素,从硬件和软件编程方面提出提高PLC系统可靠性的有效措施。

关键词PLC;可靠性

中图分类号TP 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)091-0017-01

随着工业的发展,可编程序控制器(PLC)已广泛地使用于工业控制领域,由于PLC控制系统常工作在恶劣环境中,如果在PLC控制系统的设计阶段能够进行可靠性设计,那么在工业现场的使用中可靠性会大大提高。因此,有必要分析影响PLC控制系统可靠性的因素及改进措施。

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。软件抗干扰能够起到辅助作用。

1电源的干扰及改进措施

电源对PLC控制系统的干扰情况很多,主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的,其中大功率用电设备(特别是大功率变频器)是主要的干扰源,它的启动、运行都将产生空间电磁干扰,并在线路上产生感应电压和电路。同时供电电网内部的变化,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,影响PLC系统、变送器供电电源和与PLC系统直接连接的电气仪表的供电电源等。

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、抑制带大的配电器,以减少干扰。在干扰较强或对可靠性要求很高的场合,可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。

2信号线的干扰及改进措施

PLC控制系统的各类信号传输线除了传输各种有效的信息外,还传输着外部的干扰信号。主要是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号异常,大大降低测量精度,严重时将引起元器件损伤。隔离性能差的系统,将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。实际生产过程中,PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O点损坏的情况相当严重,由此引起系统故障。

输入通道中的检测信号一般较弱、传输距离较长,使现场干扰和电路结构模数混杂等因素很容易进入通道。保护方法可在输入端外加一级光电耦合器,一旦有高压电压等侵入回路时,使其击穿保护级光耦,可保护回路。

同时为了提高输入信号可靠性,可采用软件编程的方法来解决,比如开关型传感器信号的“去抖动”措施:当按钮作为输入信号时,则不可避免会产生抖动;输入信号是继电器时,也会产生瞬间跳动,将会引起系统误动。通过编程建立去抖梯型图,定时时间根据触点抖动情况和系统要求的响应速度而定,以保证触点稳定断开(闭合)才执行。

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。PLC的输出驱动负载有交流负载和直流负载两类,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:对直流负载是并联续流二极管,以防止关断时反电势电压对PLC输人电路的冲击。但是,当控制系统的交流用电设备较多时,有时无法有效抑制干扰对PLC及其输出电路的影响,严重时甚至会扰乱系统的正常工作程序。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,常在PLC输出端与驱动元件之间增加过零型固态继电器AC-SSIR。

同时为了提高系统输出的可靠性,在硬件设计和编程中必须考虑互锁功能,并应互相配合。因为单纯在PLC内部逻辑上的互锁,往往在外电路发生故障时失去了作用。例如对电动机正、反转接触器互锁,仅在梯形图中用软件来实现是不够的。因为大功率电动机有时会出现因接触器主触点“烧死”而在线圈断电后主电路仍不断开的故障。这时,PLC输出继电器为断电状态,常闭触点闭合,如给出反转控制命令则反转接触器就会通电而造成三相电源短路事故。解决这一问题的办法是将两个接触器的常闭辅助触点互相串接在对方的线圈控制回路中,这样就可起到较完善的保护作用。

3系统布线干扰及改进措施

PLC控制系统有几十乃至几百个输入、输出通道分布在其中,导线之间形成相互耦合,主要为电容性耦合、电感性耦合和电磁场辐射三种形式。在PLC控制系统中,由前两种耦合造成的干扰时主要的,第三种是次要的。它们对控制系统主要造成共模形式的干扰。共模干扰是在信号线与地之间传输,属于非对称性干扰。

消除干扰的方法:1)布线时远离高压线,I/O线与控制线应分开走线,应使用屏蔽电缆。2)交流线与直流线、输入线与输出线分开走线。3)开关量、模拟量I/O线最好也分开敷设。传送模拟信号最好采用屏蔽线,且屏蔽线的屏蔽层应一端接地。4)PLC的基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号电压低、频率高,很容易受干扰。不能与其他线敷设在同一线槽内。

4接地混乱的干扰及改进措施

PLC控制系统正确接地能有效抑制电磁干扰的影响,并抑制设备向外发出干扰;而错误的接地反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统无法正常工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等,由于各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在电位差而引起地环路电流,影响系统正常工作。若系统地与其它接地处理混乱,所产生的环路电流就可能在地线上产生电位分布,影响逻辑电路和模拟电路的正常工作,严重的造成系统瘫痪。

抑制噪声和防止干扰措施:1)地线系统合理布置,系统中的逻辑地线、模拟地线、噪声地线以及仪器机壳的屏蔽地线等,这些地线应该分开布置,并在一点上与电源地相连。同时接地线尽量加粗,减小接地阻抗。2)单点接地与多点接地合理选择,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,宜采用多点按地法。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。

5总结

此外,环境因素也存在干扰问题,如工作环境的温度、湿度问题,防振问题,散热问题等。同时抗干扰措施还有冗余设计、故障检测程序的设计和软件容错等。可知PLC控制系统可靠性不仅取决于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、合理的判断能力,是提高系统可靠性的重要手段。

参考文献

[1]王兆义.小型可编程控制器实用技术[M].上海:机械工业出版社,2000.

[2]廖常初.PLC编程及应用[M].上海:机械工业出版社,2003.

[3]齐从谦.PLC技术及应用[M].上海:机械工业出版社,2002.

作者简介

卢亚平,男,本科,现任苏州大学应用技术学院教师,研究方向:过程控制。

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