科技论坛PLC控制系统的可靠性分析
杜川
摘
付会凯
（新乡学院机电工程学院，河南新乡453003）
要：分析了PLC控制系统在可靠性上存在的问题，主要从抗干扰和稳定性方面入手，利用硬件与软件相结合的方法，解决了一些PLC系统
中存在的稳定性问题。
关键词：PLC；抗干扰；可靠性；感性负载
Abstract：AnalysisofthePLCcontrolsystemreliability，mainlyfromtheinterferenceandstability-prongedapproachtotheuseofhardwareandsoftwarecombinedwitheachotherwaystodealwithanumberofPLCsystem，thestabilityofexistingproblems.
：KeywordsPLC;interferenceimmunity;Reliability;Inductiveloads引言
可编程控制器(PLC)是以微处理器为基础，专业为工业而设计的,操作方便的数字式电子装置。PLC最初仅仅是为了替代继电器控制系统而存在，随着科学技术的发展，它渐渐综合了
自动控制、网络通信等技术，其功能远计算机、
化工、制远超出了继电器系统的功能，在钢铁、
造等领域得到了越来越广泛的应用，极大地促进了现代工业生产的自动化程度。而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,而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。在现代工业控制系统中，虽然PLC在设计和制造过程时厂家已采取了多层次的抗干扰措施,具有一定的稳定性和可靠性,但由于PLC的应用范围越来越广,应用区域越来越复杂,所以受到的干扰也就越来越多。过于恶劣的环境或安装使用不当的情况下，都有可能引起PLC内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件的损坏。因此,研究PLC控制系统干扰的来源问题、以及如何确保其可靠性等问题尤其具有现实意义。
1干扰来源的分析1.1来自信号线的干扰
PLC系统连接有各种信号线，这种信号线的连接方式根据梯形图的变化而不同，然而无论何种线路，信号线之间的相互干扰以及信号线对于外界空间的电磁辐射感应是不可避免的，这种称之为电磁干扰。这种干扰会导致I/O口工作异常，从而影响工业测量的准确性，还会对仪器造成严重损害。
1.2来自电源的干扰
电源是干扰进入可编程控制器的主要途径之一，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是主要的干扰源。
1.3来自感性负载的干扰感性负载具有储能的作用，当控制触点断开时，电路中的感性负载会产生高于电源电压接近数十倍的反电动势，这种情况从外观是不容易觉察到的；触点吸合时，触点会发生抖动，从而产生电弧，电弧危害是一种非常严重的电气危害。
1.4来自接地情况的干扰
在工业控制现场，电器设备频繁启停，动力线路与控制线路结构紧密，这种情况存在严重的磁场干扰。这种干扰也是电磁干扰。
2增强PLC可靠性的设计方案
PLC的可靠性工程是一个系统的工程，要求在工业设计，安装布线，系统维护中都给予全面全方位的考虑，这样才能保证PLC控制系统
的可靠性。具体到设计可靠性方案时，
我们首先应该从系统引线部分进行屏蔽，然后对电源系统的设计路线部分进行改造，分层布置，最后才是对感性负载的处理以及接地方案的准备。
2.1安装与布线的方案
PLC控制系统的布线应远离强干扰源，如大功率晶闸管、变频器、大功率硅整流装置和大型动力设备等，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。输入与输出最好分开走线，开关量与
交流模拟量也要分开敷设，以防外界信号干扰。
输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，且避免并行。
输入接线一般不要超过30m。但是如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当延
当数字量输入、输出线不能与动力线分开布长。
线时，可用继电器来隔离输入、输出线上的干扰。当信号线距离超过300m时，应采用中间继电器来转接信号，或使用PLC的远程I/O模块。I/O线与电源线应分开走线，并保持一定距离。如不得已要在同一线槽中布线，应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同电缆，如果I/O线的长度超过300m时，输入线与输出线应分别使用不同的电缆；数字量、模拟量I/O线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。如果模拟量输入/输出信号距离PLC较远，应采用4～20mA或0～10mA的电流传输方式，而不是电压传输方式，因为电压传输方式非常容易受到干扰[1]。
2.2电源和感性负载的处理
对于电源的处理：在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在可编程序控制器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，屏蔽层应接地。PLC供电系统一般采用以下几种方案;a.使用隔离变压器供电系统。本方案是传统的抗干扰措施,对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。它抗干扰的原理是原边对高频干扰呈现很高的阻抗,而位于原边、副边绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了原、副边所产生的分布电容,因此原边绕组只存在对屏蔽层的分布电容,高频干扰通过这个分布电容而被旁路引入地。b.使用UPS供电。UPS是个人PC上常用的有效保护装置，当输入交流电失电时，UPS根据不同的容量能继续向PLC控制器供电10～30分钟。采用UPS供电不仅能提高PLC的供电安全可靠性,也能有较强的抗干扰隔离。c.采用电源滤波器滤除尖峰脉冲干扰。电源滤波器最基本的作用就是抑制传导干扰,它既能防止PLC电磁波的外泄,又能避免受到外来辐射的干扰,并能有
效滤除尖峰脉冲。
对感性负载的处理：PLC控制系统在输入、输出端有感性负载时，对于交流输入、输出信号，应在负载两端并联电容C和电阻R，而对于
输出信号，则要并接续二极管D，二直流输入、
者的处理方法类似。对于交流输入、输出信号的情况如图1所示。图1电路中的C、R要选择合
选取C适的值，一般负载容量在10VA以下的，
为0.1uF，R为120Ω；负载容量在10VA以上
R为47Ω。当PLC输出驱时，选取C为0.47uF，
动负载为电磁阀或交流接触器线圈时，在输出与负载元件之间增加继电器进行隔离，其抗干扰性则会更好。
2.3接地方案
良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件。常用的接地方式有浮地、直接接地和电容接地三种方式。PLC控制系统属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，设备之间的信号交换频率一般都比较小，所以PLC控制系统接地线大多采用并联一点接地方式，部件的中心接地点以单独的接地线引向接地极，由于是并联接地，各个电路的地电位只与自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰，故有效地克服了公共地线阻抗的藕合干
需要提出的是，在选择地线的时候还是扰问题。
应该选择较粗一点，以减小各点之间的电位差，接地线要采用横截面积大于2mm2的铜导线，接地极的接地电阻小于100Ω，接地极最好埋
接地点必须与强在距建筑物10～15m和远处，[2]
电设备接地点相距10m以上。
3增强PLC可靠性的其它方案
有时候硬件措施不一定能完全消除干扰的影响，采用一定的软件措施加以配合，对提高PLC控制系统的抗干扰能力和可靠性有很好的作用。主要从两个方面入手，首先是从故障的检
大量的工程实践表明，PLC外部测和诊断方面。
输入、输出设备的故障率远远高于PLC本身的故障率，而这些设备出现故障后，PLC一般不能觉察出来，可能使故障扩大，直至强电保护装置动作后才停机，有时候甚至会造成设备和人身事故。所以为了PLC可靠性的考虑，可以用PLC程序实现故障的自诊断和自处理。另一个
某些方面是消除预知干扰。（下转139页）
－42－文为人们从事艺术活动的重要支点，成为建立审美感受模式、审美判断标准的重要支点。这样体验过生活的人们，绝不会心安理得地接受表现浅薄的，或是过时的精神生活的作品。在古代杰作面前，他们的心灵会自然地发出一种不满足的声音，会强烈地渴望一种表现新的精神生活的艺术。这样的生活、这样的心灵，自然能够矫正或防止沉入杰作可能带来的保守倾向。
3感受模式与艺术才能的基本结构
审美感受模式决定了人们的审美感受标准，同时也决定了人们审美感受能力的高下。审美感受能力是一位艺术家素质和才能的一个主要标志，因此感受模式的问题同时就是艺术才能结构的问题。所谈到的影响感受模式的两
—传统与生活，也就是决定艺术个主要因素——
才能的两个重要方面。它们驿艺术活动的意义各不相同，但是都十分重要。它们相互依存，相互制约，既有互相排斥的一面，又有互相渗
—民族性格的透、统一在民族历史中的一面——
连接性决定了这一点，赏鉴者和创造者便在它们之间寻找着自己的位置，调整着与它们的关系。当主体编向于传统一端时，在艺术中能获得强有力的、成熟的、坚实的支点，但容易忽略新鲜活泼的精神生活；当主体偏向于自身的生活体验时，往往奋不顾身地向强大的传统发出挑战，但由于对对手还比较陌生，也来不及锻造自己坚利的武器，难以触动传统强固的根基，同时自己往往还会无意地落在传统的窠臼中。
我们提出了一种审美感受模式与艺术才能的基本结构。普遍适用的单方是不存在的，
，至今仍被不过“尊重传统，便不崇拜偶像”
绝大部分精神领域的创造者所信守。
当代艺术同这个变化迅速的世纪一样，时刻变换着自己的面目，中国当代书画必然要加入到这一艺术潮流中去。我们已经能闻到潮水来临前大海的气息。在各种艺术思潮向人们袭来时，人们怎样才能保持自己的个性呢？当我们时代的造型艺术家象变魔法一样，不断掏出出人意料的作品时，许多作者和观众都提出了这样一个问题：哪里是我们心灵的道路？
人们需要有一个基本的感受结构。这个结构包含从事艺术活动最重要、最基本的素质，它的构造应该相当稳定，不因艺术风潮的改变而受到影响，但同时又保持一定的开放程度和生长能力，对各种风格都能择其所长而用，从基本构造出发，使自己的作品变化出众多的面目，从而表现复杂而浩瀚的现代精神生活。阐述的，便是这样一种结构的构筑过程。
艺术活动有一个普遍的规律：人们不论从事创作还是进行赏鉴，都需要有形式和精神生活这样两个支点，作为想象力等素质赖以施展的基础，缺一不可。缺乏形式支点，人们的想象力无法腾跃。想象力没边界，然而却需要一个起点。例如，现代画家即使创作形状、色彩都远离实物的非写实性绘画，也要使用模特儿。为什么？想象力看起来极端自由，但实际上受到各人心理结构的制约，有它自己的习惯和一定的活动范围。当你对一个人说，你去自由想象吧，他是不会获得自由的。因此，给予
化教育有的一直强调表现“自我”的画家突然宣称在作品中要完全排除“自我”的痕迹，因为他在海洋、宇宙面前感到了大自然的宏伟、神秘，感到了人的软弱和渺小。宏伟、神秘是大自然的属性吗？它们仍然是人心中所产生的感受。这样创造的作品虽然画面冷峻、静穆，甚至没有一点人的痕迹，但它仍然是一种“表现”、“自我”的“表现”。作者的基本心理结构依然故我。
因此，不要看宣言，不要看作品形式构成表面上的变化，作者基本的心理构造隐藏在这一切之下。任何创造活动都起源于不满。不满已有的，才去创造应有的。有人说，这是带着对王羲之、颜真卿或某现代名家的崇敬走进书法领域的。走进不等于创造，只有当你通过学习，获得感受力、判断力，并从自己心灵深处对他们发出不满的时候，那才是创造的起点。没有不满，便永远不会有真正的创造。不满总是从心中开始萌动，但最后又总要表现在形式上，因此作者形式支点的高下便决定了不满的意义，决定了未来的创造的价值。例如：若人们以当代第三流作品作为感受基础的话，不满也不过标志着感受力有所长进而已，但是当人们以杰作作为感受基础的话，不满便意味着开始真正的创造。当然，这种不满也要有个相应的支点，相应的精神生活的支点，这便要求人们极为深刻地去体察自己的生活，体察这个时代人类的生活。只有从心灵中生长出来的一切已经足以在人类精神生活中获得自己的地位时，他才有勇气，才有足够的精神力量向杰作发出挑战。做不到这一点的，将永远是杰作的奴隶。
这样，选择杰作作为感受基础便获得了更深刻的含义。选择杰作便是选定起点，选定较量的对手。一切深入都是为了创造。不论先行的、伟大的创造性的艺术家们想过些什么，说过些什么，这便是他们潜意识中所发生的这一切。这也正是现代艺术大师们表现出伟大的创造力时，又对传统深为景仰的主要原因。
想象力一个启示，一个实际存在的感官形象，看起来了它的活动，实际上却是对想象力的一种催促、一种激活，对艺术家们来说，便是从一件事物走向整个世界的新的起点。想象力最后到达何处，仍然是要受制约的，但这种特定的形象刺激，已使他的想象力完成了一次伟大的出征。毕加索画过几幅委拉斯凯兹（1599-1660，西班牙画家）和德拉克罗瓦（1796-1863，法国画家）作品的变体画，变体画是一些不规则色块的组合，但仍然可以清楚地看出原作的构图。这几幅变体画清楚地表明，最富有想象力的艺术家想象力工作时的某些特点。
书画活动中对杰作的感受与领悟，便是获得形式支点最重要的途径。
艺术活动的另一支点———精神生活的重要性不言而喻。如《形式与表现》中所述，没有全无表现内涵的形式。当人们缺乏足够深刻的内心生活时，形式肯定是苍白、空洞的，或者只是无意中搬用了别人的形式所蕴含的精神生
。由活，这正是刘熙载所说的“为他人写照”
于深入杰作的精神生活非常困难，对杰作表面上的模仿成为十分普遍的现象。逼似颜真卿和黄庭坚的书法并不是创作。只有同时深入到形式元素的构成和表现之中，使它们与自己的精神生活充分交融，再发而为诗，发而为画，发而为书，才可能使艺术成为精神领域名符其实的创造活动。
把杰作作为建立审美感受模式的基础，重视对实际生活的深刻体验，这一基本结构保证了艺术活动中形式与精神生活两方面都能获得坚实的基础，同时也保证了个性充分发展的可能。
任何成功的艺术家都有他们异常稳定的基本结构。
现代艺术富有变化的作品风格使人怀疑这种基本结构的存在，但是透过一位作者五光十色的作品，可以发现，他们的形式构成和这些构成所表现的精神生活，都保持自己一以贯之的某些特点。如毕加索，对杰作极好的领悟能力，对周围一切形体、色彩随时加之以想象的准备，对自身感受潜能以及人类命运的关注，形成了他最基本的心理特征。
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
电弧等干扰磁铁）动作，常常会伴随产生火花、
信号，他们产生的干扰信号可能使PLC接受错误的信息。在容易产生这些干扰的时间内，可以用软件封锁PLC的某些输入信号，在干扰易
[3]
发期过去后，再取消封锁。
4结论
PLC控制系统的可靠性是一个关系到方方面面的问题,除了干扰问题，还有稳定性问题都会影响这个PLC系统的运作。因此在可靠性分析中应综合考虑各方面的因素,合理有效地抑制抗干扰,增强稳定性,只有能够抓住问题的实质，才能够使PLC控制系统长期稳定的工作。
（上接42页）参考文献
[1]李道霖，张仕军.电气控制与PLC原理及应
电子工业出版社，2005.用[M].北京：
[2]熊幸明.PLC控制系统接地抗干扰技术的研
2005.究[J].低压电器，
[3]冯宁，吴灏.可编程控制器技术应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.
作者简介：杜川（1982~），男,汉族，河南新乡人，新乡学院机电工程学院，助教，学士，主要从事信息工程、电气自动化方面的研究。
付会凯（1980~），男,汉族，河南长葛市人，新乡学院机电工程学院，讲师，硕士，河南省电子学会单片微机学会会员，主要从事通信、电路与系统教学与研究。
－139－
