实训室PLC控制系统可靠性的探索

伍水梅

伍水梅/广东省国防科技技师学院讲师（广东广州510642）。

自动化，是各行各业立足21世纪之本，PLC正是为了满足这种需求而产生的。它利用可编程控制器的存储器，在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，同时利用数字式、模拟式的输入或输出，对各类机械进行控制。现在广泛应用于冶金、采矿业、化工、石油开采、电力、造纸、纺织、交通运输、木材加工、水泥生产、汽车制造、机械制造、环保（污水处理）、市政（供水、供电、供热）、食品加工甚至是娱乐等各行各业。它不仅提高了自动化的程度，更使人类的衣食住行发生了意想不到的改变，对工业现代化和促进国民经济发展有着举足轻重的作用。《PLC可编程控制器及其应用》是现今高职院校电气工程相关专业必不可少的一门课程，一个完善的PLC实训室更是每个学校的重要配套设施，与教学、学校发展密切相连。如何让教师更专注于课堂？如何让学生更少抱怨、更勤动手？如何让实训室的PLC控制系统更可靠、更稳定？这些都是需要探讨的问题。

PLC实训室做为教学场所，应关注其场地的局限性，布线的密集程度，设备的使用率，人员的操作水平，故障发生的频率；因此在考虑可编程控制器可靠性时也应从工作环境，元器件的选择，电源安装，I/O布线，故障预防等方面入手，让PLC系统的工作可靠性和稳定性得到提高，使其正常运行。

针对上述情况，在设计PLC实训室前应对各类PLC系统的功能、性能指标及发展是否成熟进行科学分析，选择适合学校使用的PLC系统。通过市场调查，西门子、三菱、欧姆龙、还有国产的永宏在应用过程中信誉较好，整机无故障时间均可达到5～10万小时；三菱的F系列，据称其平均无故障时间更是高达30万小时。从应用的无故障时间，价格，抗干扰指标、适用范围，网络组合等综合考虑，最终采用三菱F系列作为实训教学设备。

学校场地小，在一个实训室内要装设十余台PLC设备甚至更多，不像工厂、企业只有针对性作业，大范围内只设置少数几台所需设备。在高密集的环境下，其电磁干扰及配线干扰都会影响PLC控制系统的稳定性。

首先，电源配线问题。在PLC系统中，电源的地位极其重要，它是干扰进入系统的主要途径之一。PLC系统自身的抗干扰能力很高，系统内已配有专用的电源模块,向PLC系统提供直流稳压电源,但周围的大容量电气设备在使用过程中频繁地通、断或负载量的突变，还有雷电感应产生的冲击电荷等干扰信号，都有可能通过交流电网传入，影响电源电压的稳定性，并经过整流传入PLC设备，严重时可造成设备的RAM存贮器程序紊乱甚至丢失，酿成严重后果。考虑到影响PLC系统工作的干扰主要为电磁干扰，而电磁干扰主要是通过辐射和传导两种方式侵入系统的，因此在安装时将PLC设备尽可能远离强干扰源，如变频器、晶闸管变流装置等，若有特别严重的干扰，可在交流电源输入处采用带屏蔽层的隔离变压器，屏蔽层应可靠接地，还可接噪音滤波器，都能较大地抵制从交直流电源侵入的瞬时变化量干扰和降低电源对外的辐射噪音。配线时将电源线与系统动力设备分开，可较好抵制电源干扰。2010年学校对新进的机械手设备进行变频调速试验时发现限位开关工作失灵，检查程序无果，重装电路也不起作用，最后在电源输入处添装隔离变压器一个，限位开关正常工作，这次问题足以说明输入端存在电磁干扰的严重性。

其次，外部配线问题。设备多，走线密集，相互间存在较强的电场、磁场和电磁辐射，其干扰对PLC系统的信号采集及系统功能的正常运行均有较大影响。PLC系统的I/O电源线、输入信号线，输出信号线等均应尽可能分开布线，如有需要，可在现场设置相应的接线箱。开关量信号线与模拟量信号也应分开布线，且后者要采用屏蔽线，且屏蔽层接地。在所用的信号线中，尽量采用双绞线或屏蔽线，因为双绞线中电流方向相反，大小相等，可将感应电流引起的噪声相互抵消，对消除线路干扰效果明显。屏蔽线应单独敷设，尽可能远离大功率用电设备。传输导线过长易造成电磁通道干扰,所以输入接线不宜过长，常在30m内；若线路间距离较大，可采用中间继电器进行信号转换。输入接线的COM端与输出接线的COM端禁止相接。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆，屏蔽层的接地端应为一点接地，接地点接在控制器侧。

在用电设备的使用中，常会涉及到感性设备，当PLC系统的输入/输出端接有感性用电器时，会因反冲感应电动势和浪涌电流的产生而出现错误信息或损坏模块，造成不良后果，必需采取相应方法进行解决。

当输入端有感性用电器时,若输入信号为交流输入信号可在用电器两端并接电容C和电阻R如图1（a）所示,若输入信号为直流输入信号则可在用电器两端并接续流二极管D，通过元件的延迟作用降低误差信号造成的干扰，如图1（b）所示，R和C的选择必须符合电路需求。在交流输入信号时，电容多为0.1微乏～0.47微乏，其额定电压应大于电源电压的峰峰值，电阻约为100欧姆；若为直流输入信号时,二极管的额定电流应选为1A,额定电压要大于电源电压的3倍；若用光电开关，声控开关等两线式传感器作为输入信号，则可能出现较大的漏电流，产生错误的输入信号，此时可并联一个旁路电阻在输入端两侧，以减小输入电流，如图1（c）所示,旁路电阻计算公式如下：

图1 输入端有感性负荷的方式

当输出端有感性负载时,若为交流输出,应在负载两端并接RC浪涌吸收器，C取值约为0.47微乏，电阻取值约47欧姆,如图2（a）所示，要保证抗干效果，RC应尽量靠近负载；若是直流输出,应在负载的两端并接续流二极管D,如图2（b）所示，续流二极管也应靠近负载,其反向耐压应取负载电压的4倍。

图2 输出端有感性负荷的方式

再次，系统接地问题。接地不当会造成各接地点的电位不等，形成电位差，造成接地干扰，良好的接地是正常工作的保证。PLC的接地与动力设备的接地应分开,采用专用接地；若条件限制不能分开接地,应采用共用接地；绝对禁止采用与其他设备串联接地的方法。如图3所示,接地点应尽可能靠近PLC,接地线应用专用接地线，接地线的截面积不应小于2mm,接地电阻应小于100欧姆。

图3 plc接地

学校PLC实训室作为学生学习场地，设备的操作频繁程度远远高于PLC控制系统实地作业。根据市场数据显示：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前两项共 20%故障属于PLC的内部故障；其余80%的故障属于PLC的外部故障，如输入器件中的行程开关、按钮、接近开关，输出器件中的接触器、继电器和电磁阀等。学生频繁的操作，更加速了外部故障，特别是像按钮开关这种经常性操作的元件，由于其弹簧的不稳定性，常会因其弹簧的抖动造成误输入，引起电路故障，所以为了提高系统的可靠性，应选用质量高的元器件，并利用辅助器件，如时间继电器、特殊辅助继电器、计数器等增设防抖程序。考虑到学生在实训过程中操作时会因为对系统不熟悉，设备操作不熟练，程序编写不完善，可能产生的各类故障，在电路设计和程序设计中设置二级故障显示。一级故障显示设在学生接触的各种控制面板上，用指示灯作为故障指示，当设备正常运行时绿色指示灯亮，当设备出现故障时红色指示灯以0.5S的速度闪烁警示,并专门设置故障指示灯测试按钮防止指示灯故障。二级故障显示设在教师控制平台上，当故障出现时，可显示设备序号，能提示大致的故障类别，并设有声音报警指示灯，提示教师及时进行处理。该监控的程序使用后不但提高了学生的学习兴趣、信心，也大大降低了教师在课堂上的维修工作量，对系统的稳定性大有帮助。当然，可靠性问题本身就是一个颇具争议的问题，尽管设计上不断完善，但细节决定成败，有些客观因素一样会影响控制系统的稳定性。提高操作、维修人员的操作技能及专业素质修养，强调学生的责任心，加强日常检查和维护对于可编程控制器的稳定性同样重要。

以上措施大部分均在学校PLC实训室应用，经过PLC系统的运行测试，证明对提高PLC系统的可靠性有明显帮助。本文仅对学校PLC实训系统的设计进行了稳定性措施探讨，在实际应用中对PLC的各种不利因素仍要充分考虑，对软件、硬件的设计以及安装采取相应的保护措施，应该可以让控制系统可靠、稳定地运行。

[1] 李国厚，赵明富，徐君鹏.PLC控制系统的可靠性设计[D].河南科技学院，2005

[2] 郑毅 ,冯进.提高PLC控制系统可靠性的措施［J］.科技信息

[3] 廖常初.可编程控制器控制器原理及应用［M］.重庆:重庆大学出版社,1996

[4] 赵汝俭.合理编程提高PLC控制系统可靠性［J］.临沂师范学院,2008（15）：16-18

[5] 段苏振.提高PLC控制系统可靠性的设计因素[J].电气传动,2003,5:45-52