Abstract: With the development of the industry, the programmable controller (PLC) has been widely used in industrial control field, because the PLC control system often work in harsh environments, if in the design stage to reliability design of PLC control system, so in the use of the industrial site will greatly improve reliability. Therefore, it is necessary to analyze the influencing factors and improvement measures of PLC control system reliability.

Key words: PLC   reliability   influencing factors   improvement measures

【中图分类号】TB114.32 【文献标识码】B  文章编号1606-5123（2018）05-0000-00

1 引言

可编程序控制器(PLC)是专门为工业控制设计的，制造商在设计和制造过程中采取了多层次的抗干扰措施，使系统能在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作。但是如果PLC的工作环境过于恶劣，如温度过高、湿度过大、振动和冲击过强，以及电磁干扰严重或安装使用不当等，都会直接影响整个控制系统的正常、安全和可靠运行，加上外围电路的抗干扰措施不力，而使整个控制系统的可靠性大大降低，甚至出现故障。因此，在系统设计时应充分考虑在硬件上进行适当配置，并辅以相应的软件以实现系统故障的防范。PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，PLC系统的抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。因此，分析研究PLC应用中的可靠性设计和影响因素是十分必要的。

2 影响 PLC 控制系统可靠性的因素

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。而影响PLC控制系统的干扰源大多产生在电流或电压剧烈变化的部分。

2.1 来自空间的辐射干扰以及改进措施

空间的辐射电磁场(EMI)主要由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。这种干扰影响主要来自两条路径：①直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；②对PLC通信网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关。

在这种复杂的情况下，应该合理布置现场的设备，尽量减少产生相对应的电磁场辐射干扰，使其发挥出最有效的作用。

2.2 来自电源的干扰以及改进措施

电源对PLC控制系统的干扰情况很多，主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，其中大功率用电设备(特别是大功率变频器)是主要的干扰源，它的启动、运行都将产生空间电磁干扰，并在线路上产生感应电压和电路。同时供电电网内部的变化，如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边，影响PLC系统、变送器供电电源和与PLC系统直接连接的电气仪表的供电电源等。

因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，更换隔离性能好的 PLC电源才能解决问题。对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的隔离变压器；对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大的配电器，以减少干扰。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。

2.3 来自信号线的干扰以及改进措施

PLC控制系统的各类信号传输线除了传输各种有效的信息外，还传输着外部的干扰信号。此干扰主要有两种途径：①是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；②是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号异常，大大降低测量精度，严重时将引起元器件损伤。隔离性能差的系统，将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。实际生产过程中，PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O点损坏的情况相当严重，由此引起系统故障。   

解决这一问题的办法一个是将两个接触器的常闭辅助触点互相串接在对方的线圈控制回路中，这样就可起到较完善的保护作用；输入通道中的检测信号一般较弱、传输距离较长，使现场干扰和电路结构模数混杂等因素很容易进入通道，另一个保护方法就是在输入端外加一级光电耦合器，一旦有高压电压等侵入回路时，使其击穿保护级光耦，可保护回路。

2.4 来自接地系统混乱的干扰以及改进措施

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，会引起各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差而引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B 都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常情况时地线电流将更大。屏蔽层、接地线和大地也有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起信号测控失真和误动作。

PLC控制系统正确接地能有效抑制电磁干扰的影响,并抑制设备向外发出干扰；抑制噪声和防止干扰措施：(1)地线系统合理布置，系统中的逻辑地线、模拟地线、噪声地线以及仪器机壳的屏蔽地线等，这些地线应该分开布置，并在一点上与电源地相连。同时接地线尽量加粗，减小接地阻抗。(2)单点接地与多点接地合理选择，在低频电路中，信号频率低于1MHz时它的布线和元器件间的电感影响较小，而接地电路形成环流所产生的干扰影响较大，因而单元电路间宜采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，宜采用多点按地法。在1-10MHz之间时，如果用一点接地，其地线长度不超过波长的1/20，否则宜采用多点接地法。

3 PLC控制系统的可靠性设计

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。

3.1 安装与布线的设计

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，开关量与模拟量也要分开敷设，以防外界信号干扰。交流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，输入接线可适当延长。当数字量输入、输出线不能与动力线分开布线时，可用继电器来隔离输入、输出线上的干扰。

3.2 电源的设计

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。

3.3 接地设计

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扰问题。需要提出的是，在选择地线的时候还是应该选择较粗一点，以减小各点之间的电位差，接地线要采用横截面积大于2mm的铜导线，接地极的接地电阻小于100Ω，接地极最好埋在距建筑物10～15m，或者远处，接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。

4 PLC控制系统可靠性设计分析

 可靠性设计必然会带来设备投资的增加和成本的提高。如选用优质元器件，增加各种筛选、老化，进行长期寿命试验，配置硬件和软件资源的冗余，增加设计及管理工作等，这一切都需加大投资。但是设备可靠性提高，换来的是设备生产率的提高，使用者维护、运行费用的降低，产品在市场上价格的提高和畅销，投资者的利润不但不会降低反而会得到提高。可见，可靠性投资经济效益的特点是增加一些局部的、眼前的和适当的所费，而换来包括直接经济效益在内的、更大范围的、更多的和长远的利益。

对于工业生产来说，PLC控制系统在实现检测管理和决策方面有着重要的意义。因为它是一种将运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术相结合的控制系统，是企业增加产品产量、提高产品质量、提升生产效率、减少原料消耗、确保安全等的先进的综合控制技术，是现在制造领域中重要的控制系统之一。虽然PLC控制系统本身无法直接创造经济效益，但在该系统的参与调解下，企业的生产管理水平将大幅提高，经济效益自然就随之增加，而且企业各方面的综合竞争力也将获得提升，综合国力也将随之提高。

5 结束语

目前，PLC控制系统在我国已经得到了广泛的应用并且发挥着重要的作用，所以探索PLC控制系统的可靠性对PLC控制系统的稳定高效运行十分必要，也是我国对PLC控制系统研究的重点。

参考文献

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作者简介

孝成美 （1995-） 女 工学学士 研究生在读 研究方向：机械工程方向