【摘要】 从抑制电源、输入/输出接线引入的干扰和PLC接地等方面详细论述了提高PLC控制系统可靠性的几种解决措施，对PLC控制系统具有较高的推广应用价值。
【关键词】 控制系统 PLC 抑制干扰 接地 可靠性
一、引言：
近年来， PLC在工业控制中的应用越来越广泛，PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，为了保证PLC在各种工业环境中安全运行，必须采取相应的可靠性措施。
PLC专为在工业环境下应用而设计，其显著特点之一就是高可靠性，PLC在通常情况下使用都可以可靠地工作，一般平均无故障时间可达几万小时。但这并不是说对PLC的环境条件及安装使用可以随意处理。在过于恶劣的环境条件下，如强电磁干扰、超高温、超低温、过欠电压等情况，或安装使用不当等，都可能导致内部存储信息的破坏，引起控制系统紊乱，从而使PLC可靠性降低，严重时还会使系统内部的元器件损坏。为了提高PLC控制系统运行的可靠性，必须选择合理的抗干扰措施，使系统正常可靠地工作。
二、PLC控制系统可靠性降低的主要原因：
虽然PLC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、影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：①造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；②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，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果；③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，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。
2、影响执行机构出错的主要原因有：①控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；②控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作；③各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。
三、提高PLC控制系统可靠性的措施：
电源、输入、输出接线是外部干扰入侵PLC的重要途径，应采取相应的抗干扰措施。
1、抑制电源系统引入的干扰：
电源是PLC引入干扰的主要途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较轻的电源。PLC的供电线路应与其它大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。在干扰较强或可靠性要求很高的场合，对PLC交流电源系统可采用的抗干扰措施，有以下几种方法：①在PLC电源的输入端加接隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接向PLC供电，这样可抑制来自电网的干扰。隔离变压器的电压比可取成1：1，在一次和二次绕组之间采用双屏蔽技术，一次屏蔽用漆包线或铜线等非导磁材料绕一层，注意电气上不能短路，并接到中性线；二次侧采用双绞线，双绞线能减少电源线间干扰。②在PLC电源的输入端加接低通滤波器，可以滤除交流电源输入的高频干扰和高次谐波。③如果PLC使用交流电源，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(见图1)，隔离变压器可以抑制窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可靠地接地。
低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺”，图中的Ll和12用来抑制高频差模电压，L3和L4是用等长的导线反向绕在同一磁环上的，50Hz的工频电流在磁环中产生的磁通互相抵消，磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电流在磁环中产生的磁通是迭加的，共模干扰被L3和L4阻挡。图中的Cl和C2用来滤除共模干扰电压，c3用来滤除差模干扰电压。R是压敏电阻，其击穿电压略高于电源正常工作时的最高电压，平常相当于开路。遇尖峰干扰脉冲时被击穿，干扰电压被压敏电阻钳位，后者的端电压等于其击穿电压。
高频干扰信号不是通过变压器的绕组耦合，而是通过初级、次级绕组之间的分布电容传递的。在初级、次级绕组之间加绕屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，可以减少绕组间的分布电容，提高抗高频干扰的能力。
2、抑制输入、输出电路引入的干扰
为了抑制输入、输出电路引入的干扰，一般应注意以下几点：①开关量信号不易受外界干扰，可用普通单根导线传输。②数字脉冲信号频率较高，传输过程中易受外界干扰，应选用屏蔽电缆传输。③模拟量信号是连续变化的信号，外界的各种干扰都会迭加在模拟信号上而造成干扰，因此要选用屏蔽电缆或带防护的双绞线。④PLC的输入、输出线要与动力线分开，距离应在20cm以上，如果不能保证上述最小距离，可将这部分动力线穿套管，并将管接地。绝对不允许把PLC的输入、输出线与动力线、高压线捆扎在一起。⑤应尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的距离以减少噪声干扰。⑥PLC的输入、输出线最好单独敷设在封闭的电缆槽架内（线槽外壳良好接地）。⑦当PLC的输入线较长（大约30m以上），如果使用交流输入模块，由于感应电动势的干扰，即使没有输入信号也可能会引起误动作。必要时可在输出端子两端并联电阻，或改用直流输入模块，以降低上述异常感应电动势。在PLC输出端，对于交流感性负载，为避免断开电源时产生的感应电动势，应在交流回路侧并联阻容吸收电路。⑧对于输入、输出信号在300m以上的长距离场合，建议用中间继电器转换信号或使用远程I/O控制。
（3）PLC的接地
3、PLC输出端的可靠性措施
继电器输出模块的触点工作电压范围宽，导通压降小，与晶体管型和双向可控硅型模块相比，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢。系统输出量变化不是很频繁时，一般选用继电器型输出模块。PLC输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于DC220v电路中，必须用PLC驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动DC220v的负载。
断开直流电路要求较大的继电器触点，接通同一直流电路可用较小的触点。选择外接的继电器时，应仔细分析是用PLC来控制接通还是断开外部回路。例如水电站中用得较多的DC220v电磁阀内部有与其线圈串联的限位开关常闭触点，电磁阀线圈通电，阀芯动作后，是用阀内部的触点来断开电路的。在这种情况下，可以选用触点较小的小型继电器来转接PLC的输出信号。
4、PLC接地：
接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一，接地的目的有二个，一是为了安全，二是为了抑制干扰。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰，为使PLC安全可靠运行，PLC与其它设备可以采用图2的公共接地方式，也可以采用图3的各自使用接地装置。但是严禁使用图4所示的串联接地方式，因为此种接地方式在各接地点之间造成电位分布不均，在各设备之间会产生电位差，引起环路电流。接地点与PLC的距离应小于50m，接地线采用的截面积应大于2mm2。
良好的接地是PLC抑制干扰的重要措施。
PLC接地应注意以下几方面：①PLC接地最好采用专用接地极。如果不可能，也可与其他盘板共用接地系统，但须用自己的接地线直接与公用接地极相连。绝对不允许与大功率晶闸管装置和大型电动机之类的设备共用接地系统。②PLC的接地极离PLC越近越好，即接地线越短越好。PLC如由多单元组成，各单元之间应采用同一点接地，以保证各单元之间等电位。当然，一台PLC的I/O单元如果有的分散在较远的现场（超过100m），这种情况可分开接地，但必须遵守上述相应规定。③PLC输入、输出信号线采用屏蔽电缆时，其屏蔽层应采用一点接地，并且在靠近PLC这一端的电缆接地，电缆另一端不接地。如果信号随噪声而波动，可连接一个0.1～0.47μF/25V的电容器接到地端。④接地线截面积应大于2mm2，接地线一般最长不超过20m。PLC控制系统的接地电阻一般应小于4Ω。
5、抗干扰的软件措施
由于PLC干扰的复杂性，有时只采用硬件措施是不可能根本消除干扰的，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施如下：(1)对于开关量输入，可以采用软件延时20ms，对同一信号作两次或两次以上输入，结果一致才确认输入有效。(2)某些干扰是可以预知的，如PLC的输出命令使执行机构(如大功率电动机、电磁铁)动作，常常会伴随产生火花、电弧等干扰信号，它们产生的干扰信号可能使PLC接收错误的信息。在容易产生这些干扰的时间内，可用软件封锁PLC的输入信号，在干扰易发期过去后，再取消封锁。(3)采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位，采用间接跳转，设置软件陷阱等，提高软件结构的可靠性。
实践证明，在PLC控制系统中，PLC本身的故障率是很低的，系统中其他元器件的故障率往往比PLC的故障率高，特别是机械限位开关等比较容易出问题。为了提高整个PLC控制系统的可靠性，设计和应用时要注意这类易出故障元器件的选取与维护，以保证全系统稳定可靠性地运行。
参考文献：
［1］吴中俊、黄永红主编.可编程控制器原理及应用2版—北京：机械工业出版社，2004.4
［2］陈在平，赵相宾主编 可编程控制器技术与应用系统设计.北京：机械工业出版社.2002.
［3］何衍庆等编著.可编程序控制器原理及应用技巧.北京：化学工业出版社.2000.
作者简介：
毋光明：男，（1974年~），河南省煤炭高级技工学校，讲师。
张静：女，（1974年~） ，河南省煤炭高级技工学校，讲师。