實訓室PLC控制系統可靠性的探索

伍水梅

伍水梅/廣東省國防科技技師學院講師（廣東廣州510642）。

自動化，是各行各業立足21世紀之本，PLC正是為了滿足這種需求而產生的。它利用可編程控制器的存儲器，在其內部執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，同時利用數字式、模擬式的輸入或輸出，對各類機械進行控制。現在廣泛應用于冶金、采礦業、化工、石油開采、電力、造紙、紡織、交通運輸、木材加工、水泥生產、汽車制造、機械制造、環保（污水處理）、市政（供水、供電、供熱）、食品加工甚至是娛樂等各行各業。它不僅提高了自動化的程度，更使人類的衣食住行發生了意想不到的改變，對工業現代化和促進國民經濟發展有著舉足輕重的作用。《PLC可編程控制器及其應用》是現今高職院校電氣工程相關專業必不可少的一門課程，一個完善的PLC實訓室更是每個學校的重要配套設施，與教學、學校發展密切相連。如何讓教師更專注于課堂？如何讓學生更少抱怨、更勤動手？如何讓實訓室的PLC控制系統更可靠、更穩定？這些都是需要探討的問題。

PLC實訓室做為教學場所，應關注其場地的局限性，布線的密集程度，設備的使用率，人員的操作水平，故障發生的頻率；因此在考慮可編程控制器可靠性時也應從工作環境，元器件的選擇，電源安裝，I/O布線，故障預防等方面入手，讓PLC系統的工作可靠性和穩定性得到提高，使其正常運行。

針對上述情況，在設計PLC實訓室前應對各類PLC系統的功能、性能指標及發展是否成熟進行科學分析，選擇適合學校使用的PLC系統。通過市場調查，西門子、三菱、歐姆龍、還有國產的永宏在應用過程中信譽較好，整機無故障時間均可達到5～10萬小時；三菱的F系列，據稱其平均無故障時間更是高達30萬小時。從應用的無故障時間，價格，抗干擾指標、適用范圍，網絡組合等綜合考慮，最終采用三菱F系列作為實訓教學設備。

學校場地小，在一個實訓室內要裝設十余臺PLC設備甚至更多，不像工廠、企業只有針對性作業，大范圍內只設置少數幾臺所需設備。在高密集的環境下，其電磁干擾及配線干擾都會影響PLC控制系統的穩定性。

首先，電源配線問題。在PLC系統中，電源的地位極其重要，它是干擾進入系統的主要途徑之一。PLC系統自身的抗干擾能力很高，系統內已配有專用的電源模塊,向PLC系統提供直流穩壓電源,但周圍的大容量電氣設備在使用過程中頻繁地通、斷或負載量的突變，還有雷電感應產生的沖擊電荷等干擾信號，都有可能通過交流電網傳入，影響電源電壓的穩定性，并經過整流傳入PLC設備，嚴重時可造成設備的RAM存貯器程序紊亂甚至丟失，釀成嚴重后果。考慮到影響PLC系統工作的干擾主要為電磁干擾，而電磁干擾主要是通過輻射和傳導兩種方式侵入系統的，因此在安裝時將PLC設備盡可能遠離強干擾源，如變頻器、晶閘管變流裝置等，若有特別嚴重的干擾，可在交流電源輸入處采用帶屏蔽層的隔離變壓器，屏蔽層應可靠接地，還可接噪音濾波器，都能較大地抵制從交直流電源侵入的瞬時變化量干擾和降低電源對外的輻射噪音。配線時將電源線與系統動力設備分開，可較好抵制電源干擾。2010年學校對新進的機械手設備進行變頻調速試驗時發現限位開關工作失靈，檢查程序無果，重裝電路也不起作用，最后在電源輸入處添裝隔離變壓器一個，限位開關正常工作，這次問題足以說明輸入端存在電磁干擾的嚴重性。

其次，外部配線問題。設備多，走線密集，相互間存在較強的電場、磁場和電磁輻射，其干擾對PLC系統的信號采集及系統功能的正常運行均有較大影響。PLC系統的I/O電源線、輸入信號線，輸出信號線等均應盡可能分開布線，如有需要，可在現場設置相應的接線箱。開關量信號線與模擬量信號也應分開布線，且后者要采用屏蔽線，且屏蔽層接地。在所用的信號線中，盡量采用雙絞線或屏蔽線，因為雙絞線中電流方向相反，大小相等，可將感應電流引起的噪聲相互抵消，對消除線路干擾效果明顯。屏蔽線應單獨敷設，盡可能遠離大功率用電設備。傳輸導線過長易造成電磁通道干擾,所以輸入接線不宜過長，常在30m內；若線路間距離較大，可采用中間繼電器進行信號轉換。輸入接線的COM端與輸出接線的COM端禁止相接。集成電路或晶體管設備的輸入信號和輸出信號的接線必須采用屏蔽電纜，屏蔽層的接地端應為一點接地，接地點接在控制器側。

在用電設備的使用中，常會涉及到感性設備，當PLC系統的輸入/輸出端接有感性用電器時，會因反沖感應電動勢和浪涌電流的產生而出現錯誤信息或損壞模塊，造成不良后果，必需采取相應方法進行解決。

當輸入端有感性用電器時,若輸入信號為交流輸入信號可在用電器兩端并接電容C和電阻R如圖1（a）所示,若輸入信號為直流輸入信號則可在用電器兩端并接續流二極管D，通過元件的延遲作用降低誤差信號造成的干擾，如圖1（b）所示，R和C的選擇必須符合電路需求。在交流輸入信號時，電容多為0.1微乏～0.47微乏，其額定電壓應大于電源電壓的峰峰值，電阻約為100歐姆；若為直流輸入信號時,二極管的額定電流應選為1A,額定電壓要大于電源電壓的3倍；若用光電開關，聲控開關等兩線式傳感器作為輸入信號，則可能出現較大的漏電流，產生錯誤的輸入信號，此時可并聯一個旁路電阻在輸入端兩側，以減小輸入電流，如圖1（c）所示,旁路電阻計算公式如下：

圖1 輸入端有感性負荷的方式

當輸出端有感性負載時,若為交流輸出,應在負載兩端并接RC浪涌吸收器，C取值約為0.47微乏，電阻取值約47歐姆,如圖2（a）所示，要保證抗干效果，RC應盡量靠近負載；若是直流輸出,應在負載的兩端并接續流二極管D,如圖2（b）所示，續流二極管也應靠近負載,其反向耐壓應取負載電壓的4倍。

圖2 輸出端有感性負荷的方式

再次，系統接地問題。接地不當會造成各接地點的電位不等，形成電位差，造成接地干擾，良好的接地是正常工作的保證。PLC的接地與動力設備的接地應分開,采用專用接地；若條件限制不能分開接地,應采用共用接地；絕對禁止采用與其他設備串聯接地的方法。如圖3所示,接地點應盡可能靠近PLC,接地線應用專用接地線，接地線的截面積不應小于2mm,接地電阻應小于100歐姆。

圖3 plc接地

學校PLC實訓室作為學生學習場地，設備的操作頻繁程度遠遠高于PLC控制系統實地作業。根據市場數據顯示：在PLC控制系統的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，輸入設備占45%，輸出設備占30%，線路占5%。前兩項共 20%故障屬于PLC的內部故障；其余80%的故障屬于PLC的外部故障，如輸入器件中的行程開關、按鈕、接近開關，輸出器件中的接觸器、繼電器和電磁閥等。學生頻繁的操作，更加速了外部故障，特別是像按鈕開關這種經常性操作的元件，由于其彈簧的不穩定性，常會因其彈簧的抖動造成誤輸入，引起電路故障，所以為了提高系統的可靠性，應選用質量高的元器件，并利用輔助器件，如時間繼電器、特殊輔助繼電器、計數器等增設防抖程序。考慮到學生在實訓過程中操作時會因為對系統不熟悉，設備操作不熟練，程序編寫不完善，可能產生的各類故障，在電路設計和程序設計中設置二級故障顯示。一級故障顯示設在學生接觸的各種控制面板上，用指示燈作為故障指示，當設備正常運行時綠色指示燈亮，當設備出現故障時紅色指示燈以0.5S的速度閃爍警示,并專門設置故障指示燈測試按鈕防止指示燈故障。二級故障顯示設在教師控制平臺上，當故障出現時，可顯示設備序號，能提示大致的故障類別，并設有聲音報警指示燈，提示教師及時進行處理。該監控的程序使用后不但提高了學生的學習興趣、信心，也大大降低了教師在課堂上的維修工作量，對系統的穩定性大有幫助。當然，可靠性問題本身就是一個頗具爭議的問題，盡管設計上不斷完善，但細節決定成敗，有些客觀因素一樣會影響控制系統的穩定性。提高操作、維修人員的操作技能及專業素質修養，強調學生的責任心，加強日常檢查和維護對于可編程控制器的穩定性同樣重要。

以上措施大部分均在學校PLC實訓室應用，經過PLC系統的運行測試，證明對提高PLC系統的可靠性有明顯幫助。本文僅對學校PLC實訓系統的設計進行了穩定性措施探討，在實際應用中對PLC的各種不利因素仍要充分考慮，對軟件、硬件的設計以及安裝采取相應的保護措施，應該可以讓控制系統可靠、穩定地運行。

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