基于PLC应用系统的可靠性设计研究

摘 要：在保证PLC应用系统正常运行的情况下，本文介绍了PLC在工业环境中使用时，对于PLC电源的处理、布线的注意事项，以及输入输出的可靠性措施和隔离措施。通过对PLC故障的检测与诊断，研究设计了PLC应用系统在不同环境中应采取相应的可靠性措施，消除或减少干扰的影响，保证系统的正常运行。

关键词：PLC；接地；可靠性；措施

一、引言

PLC是专门为工业环境设计的控制装置，一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境使用。但是如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证系统的正常安全运行。干扰可能使PLC接收到错误的信号，造成误动作，或使PLC内部的数据丢失，严重时甚至会使系统失控。在系统设计时，应采取相应的可靠性措施，以消除或减少干扰的影响，保证系统的正常运行。

实践表明，系统中PLC之外的部分（特别是机械限位开关和某些执行机构）的故障率，往往比PLC本身的故障率高得多，因此在设计时应采取相应的措施（如用高可靠性的接近开关代替机械限位开关），才能保证整个系统的可靠性。本文从以下几个方面对于提高PLC应用的可靠性进行研究探讨。

二、对电源的处理

电源是干扰进入PLC的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电设备和产生谐波的设备（例如大功率晶闸管装置和变频器）是主要的干扰源。

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，隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力。

三、安装与布线的注意事项

开关量信号一般对信号电缆没有严格的要求，可以选用普通电缆，信号传输距离较远时，可以选用屏蔽电缆。模拟量信号和高速信号（例如光电编码器等提供的信号）应选择屏蔽电缆。有的通信电缆的信号频率很高，一般应选用专用电缆或光纤电缆，在要求不高或信号频率较低时，也可以选用带屏蔽的多芯电缆或双绞线电缆。

PLC应远离强干扰源，例如大功率晶闸管装置、变频器、高频焊机和大型动力设备等。PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLC应远离动力线，二者之间的距离应大于200mm。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件，例如继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。

信号线与功率线应分开走线，电力电缆应单独走线，不同类型的线应分别装入不同的电管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离，信号线应尽量靠近地线或接地的金属导体。不同的信号线最好不用同一个接插件转接，如果必须用同一个接插件，要用备用端子或地线端子将它们分隔开，以减少相互干扰。

四、PLC输入输出的可靠性措施

如果用PLC驱动交流接触器，应将额定电压为AC380V的交流接触器的线圈换成AC220V的。在负载要求的输出功率超过PLC的允许值时，应设置外部继电器。PLC输出模块内的小型继电器的触点小，断弧能力差，不能直接用于DC220V的电路，必须用PLC驱动外部继电器，然后再用外部继电器的触点驱动DC220V的负载。

五、控制系统的接地

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击的危害。PLC与强电设备最好分别使用接地装置，接地线的截面积应大于2mm2，接地点与PLC的距离应小于50 m。

在发电厂或变电站中，有接地网络可供使用。各控制屏和自动化元件可能相距甚远，若分别将它们在就近的接地点接地，强电设备的接地电流可能在两个接地点之间产生较大的电位差，干扰控制系统的工作。为了防止不同信号回路接地线上的电流引起交叉干扰，应给PLC接上专用地线，且其接地点应与动力设备（如电动机）的接地点分开。

六、强烈干扰环境中的隔离措施

PLC内部用光耦合器、输出模块中的小型继电器和光敏晶闸管等器件来实现对外部开关量信号的隔离，PLC的模拟量I/O模块一般也用光耦合器来实现隔离。这些器件除了能减少或消除外部干扰对系统的影响外，还可以保护CPU模块，使之免受从外部窜入PLC的高电压的危害，因此一般没有必要在PLC外部再设置干扰隔离器件。

在某些工业环境，PLC受到强烈的干扰。由于现场条件的限制，有时很长的强电电缆和PLC的低压控制电缆只能敷设在同一电缆沟内，强电干扰在输入线上产生的感应电压和感应电流相当大，足以使PLC输入端的光耦合器中的发光二极管发光，光耦合器的隔离作用失效，使PLC产生误动作。在这种情况下，对于用长线引入PLC的开关量信号，可以用小型继电器来隔离。开关柜内和距离开关柜不远的输入信号一般没有必要用继电器来隔离。同时，为了提高抗干扰能力和防雷击，PLC和计算机之间的串行通信线路可以考虑使用光纤，或采用带光耦合器的通信接口。

七、故障的检测与诊断

PLC的可靠性很高，本身有很完善的自诊断功能，如果出现故障，借助自诊断程序可以方便地找到出现故障的部件，更换它后就可以恢复正常工怍。

大量的工程实践表明，PLC外部的输入、输出元件，例如限位开关、电磁阀、接触器等的故障率远远高于PLC本身的故障率，这些元件出现故障后，PLC一般不能觉察出来，不会自动停机，可能使故障扩大，直至强电保护装置动作后停机，有时甚至会造成设备和人身事故。停机后，查找故障也要花费很多时间。为了及时发现故障，在没有酿成事故之前自动停机和报警，也为了方便查找故障，提高维修效率，可用梯形图程序由定时器的常开触点发出故障信号，该信号停止正常的程序，启动报警和故障显示程序，使操作人员和维修人员能迅速判别故障的种类，及时排除故障，实现故障的自诊断和自动处理。

八、结束语

本文通过对PLC应用系统的可靠性的研究，设计了在PLC电源处理、安装布线、接地和输入输出的可靠性措施、以及在强烈干扰环境中的隔离措施。最后通过超时检测和逻辑错误检测，设计了PLC外部的措施，保证了整个系统的可靠性。

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课题项目：咸宁职业技术学院课题，课题批准号：2012yjd008