對PLC控制系統的常見故障探索研究

【摘要】隨著我國科學技術的日益變革以及自動化程度的提高，PLC控制系統更多的用在了工業生產中。PLC控制系統的可靠性直接影響到工業生產的效率與安全。本文主要分析了影響PLC控制系統故障的主要因素，提出提高系統穩定性的對策，本文提出了一些個人的觀點，對于提高PLC控制系統可靠性具有一定的實踐價值。

【關鍵詞】PLC控制系統； 可靠性； 維護；

前言

對于 PLC 控制系統的可靠性設計和維護主要考慮來自系統外部的幾種抑制措施， 內容包括: 對 PLC 系統及外引線進行屏蔽以防空間輻射電磁干擾; 對外引線進行隔離、濾波， 特別是動力電纜要分層布置， 以防電磁干擾; 正確設計接地點和接地裝置， 完善接地系統。目前， 采用軟件手段設計出完善的故障報警系統， 對進一步提高系統運行的安全可靠性具有重要的意義

一、主機系統的故障分析研究

1、電源故障對系統的影響。PL C 系統的正常供電電源是電網。由于電網內部的變化， 如開關操作形成的浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動引起的諧波、電網短路暫態沖擊等電網干擾通過 PLC 系統的供電電源( 如CPU 電源、I/ O 電源等) 、變送器供電電源或與PLC 系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等的耦合， 通過輸電線路竄入 PLC 控制系統而造成故障。目前對于 PLC 系統供電的電源， 一般隔離性能都較好， 而對變送器供電的電源和與 PLC 系統有直接電氣連接的儀表的供電電源， 并沒受到足夠的重視， 雖然采取了一定的隔離措施， 但普遍還不夠， 導致使用的隔離變壓器由于抑制干擾能力差， 使得電源耦合而竄入共模干擾、差模干擾。因電源引入的干擾造成 PLC 控制系統故障的情況很多， 在工程調試中會經常遇到， 較好的辦法是采用隔離性能較好的 PLC 電源， 此外，選擇分布電容小、抑制帶大( 如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術) 的配電器， 可以減少 PLC 系統的干擾。為了保證電網饋點不中斷， 采用不間斷供電電源( UPS) 供電， 對提高供電的安全可靠性也是一種理想的解決方法。

2、空間輻射和環境對系統的影響。空間輻射主要是電網、電氣設備的暫態響應、雷電、無線對講、高頻感應加熱設備等產生的， 其分布極為復雜， 若 PLC 系統置于射頻場內， 就可能受到輻射干擾。其影響主要通過兩條路徑: 一是直接對 PLC 內部的輻射， 由電路感應產生干擾; 二是對 PLC 通信網絡的輻射， 由通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小， 特別是頻率有關。目前系統大多采用現場總線形式， 總線現在多為插件結構， 插拔模塊長期反復使用會造成局部印刷板或底板、接插件接口等處的總線損壞， 同時在空氣溫度變化、濕度變化的影響下， 總線的塑料老化、印刷線路的老化、接觸點的氧化等都是系統總線損耗的原因。所以在系統設計和處理系統故障的時候要考慮到空氣、塵埃、紫外線等環境因素對設備的破壞。

3、接地系統混亂的干擾。接地是提高電子設備電磁兼容性( EMC) 的有效手段之一。正確的接地， 既能抑制電磁干擾的影響， 又能抑制設備向外發出干擾。PLC 控制系統的地線主要包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統混亂對 PLC 系統的干擾主要表現在各個接地點電位分布不均， 不同接地點間存在地電位差， 引起接地環路電流， 影響系統正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地， 如果兩端都接地， 就存在地電位差， 造成電流流過屏蔽層，在發生異常狀態如雷擊時， 地線電流將更大。此外， 屏蔽層、接地線和大地都有可能構成閉合環路， 在變化磁場的作用下， 會出現感應電流， 通過屏蔽層與芯線之間的耦合， 形成干擾信號回路。若系統地與其它接地處理混亂， 產生的地環流就可能在地線上產生不等電位分布， 也影響 PLC 內邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC 工作的邏輯電壓干擾容限低， 邏輯地電位的分布干擾容易影響 PLC 的邏輯運算和數據存貯， 造成數據混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布不均將導致測量精度下降， 引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。一般來講， 對 PLC 控制系統而言， 它屬高速低電平控制裝置， 應采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響， 裝置之間的信號交換頻率一般都低于 1mHz， 所以PL C 控制系統接地線采用一點接地和串聯一點接地方式。集中布置的 PLC 系統可以并聯一點接地， 各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。如果裝置間距較大， 應采用串聯一點接地方式。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， 然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于 22mm²的銅導線， 總母線使用截面大于 60mm²的銅排;接地極的接地電阻應小于2 并且最好埋在距建筑物 10～ 15m 遠處; 接地點必須與強電設備接地點相距 10m 以上。信號源接地時， 屏蔽層應在信號側接地; 不接地時， 應在 PLC 側接地; 信號線中間有接頭時， 屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理， 一定要避免多點接地; 多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞屏蔽電纜連接時， 各屏蔽層應相互連接好， 并經絕緣處理。

4、程序故障與處理。PL C 系統對現場信號的響應速度大多以毫秒為單位， 外界設備的微小變化， 都會在 PLC 控制程序中得到迅速的響應。而現場輸入信號， 由于噪聲、干擾、誤動作、模擬信號誤差等因素的影響， 可能會產生瞬間的電平變化， 例如當按鈕或機械極限作為輸入信號時會有不可避免的抖動， 輸入信號是繼電器觸點時， 有時會產生瞬間跳動。這些輸入信號的變化被掃描周期中輸入采樣階段采樣， 則會不可避免地形成輸入信號的錯誤， 引起系統誤動作， 造成事故。因此須在信號輸入端程序設計時加入定時器濾波電路， 濾除這種瞬間產生的錯誤信號， 從而提高系統抗干擾可靠性。例如為了使現場的極限信號準確， 采用定時器， 延時1 s 且必須在掃描周期的輸入采樣階段才能對輸入信號進行采樣， 1 s 的延時時間是用于輸入信號的確認， 保證機械極限確實穩定才執行輸出動作。延時時間的長短， 可根據觸點抖動情況和系統要求的響應速度而定， 雖然采樣延時時間越長， 信息采集的可靠性越高， 但實時性也越差， 因此， 延時時間的確定應綜合考慮， 以保障系統的可靠性。

二、端口設備故障與防護分析研究

PL C 控制系統最大的薄弱環節在I/O 端口，I/O模塊是體現系統性能的關鍵部件， 因此它也是系統故障中的突出環節。與 PLC 控制系統連接的各類信號傳輸線， 除了傳輸有效的各類信息之外， 總會有外部干擾信號侵入， 由信號線引入的干擾會引起 I/O信號工作異常和測量精度大大降低， 嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統， 還將導致信號間互相干擾， 引起共地系統總線回流， 造成邏輯數據變化、誤動作和死機。PL C 控制系統因信號引入干擾造成I/O模塊損壞相當嚴重， 由此引起系統故障的情況也很多。要減少I/O模塊的故障就要減少外部各種干擾對其影響， 首先要按照其使用的要求進行使用， 不隨意減少其外部保護設備， 其次分析主要的干擾因素， 對主要干擾源、點要進行隔離或處理。在工程應用中， 可采用銅帶鎧裝屏蔽電力電纜， 降低動力線生產的電磁干擾。對不同類型的信號可分別采用不同電纜傳輸， 信號電纜應按傳輸信號種類分層敷設， 嚴禁用同一電纜的不同導線同時傳送動力電源和信號， 避免信號線與動力電纜靠近平行敷設， 以減少電磁干擾。

三、結 語

PLC 控制系統的故障是一個十分復雜的問題， 除在控制系統的設計階段時應綜合考慮各方面的因素， 合理有效地抑制干擾。同時， 在現場維護中加強設備的日常點、巡檢和維護， 對具體問題具體分析， 采取對癥下藥的方法， 才能夠使 PLC控制系統正常工作。

參考文獻：

[1]湯媛. PLC 控制系統產生干擾的原因及抗干擾措施 [ J ] .石油化工建設， 2005