试析PLC控制系统的可靠性设计问题

曾湘 段文杰

摘要：可靠性是进行PLC控制系统设计时的非常重要的要求，在PLC控制系统获得广泛应用的今天，PLC控制系统的可靠性设计更加重要。文章主要分析了影响PLC控制系统可靠性的若干因素，并重点论述了PLC控制系统的可靠性设计问题。

关键词：PLC控制系统；系统设计；可靠性

中图分类号：TM571.61文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0100-02

PLC，Programmable Logic Controller的缩写，意为可编程逻辑控制器，它的主要用途就是用来对工业的生产过程进行控制。相对于传统的“继电器——接触器控制系统”，在工业生产中应用PLC控制系统，不仅大幅度提升了其所控制生产设备、生产系统的可靠性，也提高了生产效率，让企业获得较大的经济效益。综合现在的实际情况和未来的发展趋势来看，实现工业生产的自动化乃是大势所趋。面对日益提高的生产控制自动化需求，PLC控制系统应用前景非常广阔。可靠性是进行PLC控制系统设计时非常重要的要求，也是系统总体工程设计的重要构成部分，其实现方式主要是电路设计、结构设计和程序设计。在PLC控制系统获得广泛应用的今天，PLC控制系统的可靠性设计更加重要。本文主要分析了影响PLC控制系统可靠性的若干因素，并重点论述了PLC控制系统的可靠性设计问题。

1影响PLC控制系统可靠性的若干因素

①空间辐射因素。雷雨、雷达、电网、电气设备的暂态过程、电视、无限广播等设备均会产生EMI，即空间的辐射电磁场。EMI，即辐射干扰，影响PLC控制系统可靠性的重要因素，但是由于它分布非常复杂，因此具有很大的控制难度。EMI影响主要体现在以下两个方面：第一，直接辐射PLC控制系统的内部，并在电路感应的作用下对其产生干扰。第二，辐射PLC控制系统的通信网络。因为通信线路感应可以将干扰引入，进而影响PLC系统的可靠性。

②电源干扰因素。电源也会将干扰引入到PLC控制系统当中，致使其出现故障，进而影响其可靠性。此时，如果想解决问题，一般需要更换隔离性能好的PLC控制系统电源。电网是PLC控制系统的常规供电能源，但是因为电网具有极大的覆盖面，非常容易受到空间电磁的干扰，并在其线路上感应电压和电路；特别是由于大型电力设备开和关、电网短路暂态冲击、开关操作浪涌以及交直流传动装置引起的谐波等原因导致的电网内部的变化，均会利用电网线路传输到PLC控制系统的电源那里，导致其出现故障。虽然更换隔离性能好的PLC控制系统电源可以有效杜绝以上问题，但是如果其结构、制造工艺等过于复杂，便会影响它的隔离效果。

③信号线引入。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。由信号引入干扰会引起I/0信号工作异常，大大降低测量精度，严重时将引起元器件损伤。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，造成逻辑数据变化、误动和死机。

④接地系统混乱。正确接地可以有效抑制电磁干扰的不利影响，除此之外，还可以避免该设备向外界传播干扰。但是如果接地错误，不仅会引入严重的信号干扰，还不能够起到屏蔽该设备向外界传播干扰的作用。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，会引起各个接地点电位分布不均，不同接地点之间存在地电位差两引起地环路电流，影响系统的正常工作。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布予扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起信号测控失真和误动作。

⑤PLC控制系统内部干扰。PLC控制系统内部也存在着大量的电器元件，电器元件之间、电路之间会产生相互作用的电磁辐射。例如：逻辑电路的相互辐射、电器元件的不匹配、逻辑地和模拟地之间的相关作用等等。以上因素均会对PLC控制系统可靠性产生不利影响。

2PLC控制系统的可靠性设计

2.1有效处理冲击电流和漏电流

①有效处理冲击电流。PLC控制系统内部的晶体管或双向晶闸管输出元器件通常可以承受10倍于系统设定额定电流的浪涌电流。但是如果连接具有较大负载的冲击电流时，则我们一定要优先考虑晶体管或双向晶闸管输出元器件安全性和可靠性。一般而言，我们使用冲击电流大的负载（例如反复通断电动机等），必须保证负载冲击电流不大于冲击电流耐量值的1/2。具体解决方法主要有以下两种：其一，并联电阻法。即允许平时有少于额定电流的30%的电经过电源和电阻流过负载，借此来对启动电流冲击幅度进行必要的限制。其二，串联电阻法。即将限流电阻串联到负载回路当中去，但是此举的不利影响是会降低负载的工作电流。

②有效处理漏电流。具体解决方法主要有以下两种：第一，输入漏电流及处理。当使用双线式传感器，如光电传感器、接近开关或带氖灯的限位开关等作为输入装置与PLC连接时，由于这些元件在关断时有较大的漏电流，会引起输入信号错误接通。漏电流小于1.3 mA时一般没有问题；如果大于1.3 mA，为防止信号错误接通的发生，可在PLC的相应输入端并联一个泻放电阻，以降低输入阻抗，减少漏电流的影响。第二，输出漏电流及处理：对晶体管或可控硅输出型PLC，其输出接上负载后，由于输出漏电流会造成设备的误动作。为了防止这种情况，可在输出负载两端并联旁路电阻。

2.2PLC线路板的可靠性设计

优先选择具有较高可靠性、稳定性、较小脉动的直流电源，同时为了降低损耗，将铜导线作为连接导线；严格选择处理芯片，必须保证芯片的性能具有较高的性能水平，例如，具有良好的抗冲击能力、抗振动能力、对温度变化具有良好适应力等要求；科学处理没有使用集成电路的电路端子，使其在接地或者接高电平的时候能够保持系统状态的稳定。

在对线路板进行设计的过程中，建议可以不平行走线，则尽量不平行走线，同时，为了起到良好的隔离作用，应该在每一个有互感的线路之间设置一根地线。另外，将一个体积小但是容量大（至少需要几十μF）的钽电容安装在每块印刷电路板的入口位置处，将此作为滤波器，发挥滤波作用。为了降低芯片所在支路的地线对芯片的瞬时干扰，建议将印刷板电源地线设计成网状结构；设计电源正负极走线的时候，应该将其尽量靠近。

2.3软件容错技术

为了增强PLC控制系统设计的可靠性，还应该在程序编制中增加软件容错技术，提高PLC控制系统的可靠性设计水平。具体方法如下：其一，增加程序复执技术。该技术的主要功能就是如果程序在执行的进程中出现了错误或者故障，将会对被干扰的先行指令进行若干次的重新执行。假如复执成功，则表示干扰；假如复执失败，则表示软件失败（通常显示为“Fault”）。其二，处理死循环。由程序确定导致死循环的原因是主要故障还是次要故障，如果是主要故障则要进行停机处理；如果是次要故障则要进行相应的子程序处理。其三，设置软件延时。对于控制回路、或者形成抖动的检测、或者重要开关量输入信号采用软件延时20 ms的设置，多次读取同一信号，只有结果一致时才确认有效，此举能够有效消除偶发干扰的影响。

本文首先分析了影响PLC控制系统可靠性的若干因素，随后重点论述了PLC控制系统的可靠性设计问题，希望可以为相关人士提供有益的借鉴。

参考文献：

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