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引言
PLC（Programmable LogicController）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化控制技术和通讯技术的一种工业自动控制装置。PLC作为新一代工业控制计算机，因其具有体积小、功能强、通用性好、实用性强、硬件配套齐全、程序设计简单易学及维护方便等优点而被广泛应用于工业领域。由于PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，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。但如果环境过于恶劣，如强磁场、强腐蚀、高粉尘、强辐射、剧烈的冲击和震动，都不能保证PLC正常、安全地运行。研究PLC控制系统的抗干扰设计具有十分重要的现实意义[1]。
2 影响PLC控制系统可靠性的主要因素
PLC控制系统的可靠性通常用平均故障间隔时间（Mean Time BetweenFailure，简称WIBF）来衡量。它表示系统从发生故障进行修理到下一次发生故障的时间间隔的平均值。PLC装置本身是非常可靠的，而PLC控制系统的干扰主要是外部环节和硬件配置不当引起的。一是电源侧的工频干扰，它由电源进入PLC装置，造成系统工作不正常;二是线路传输中的静电或磁场耦合干扰，以及周围高频电源的辐射干扰，静电耦合是通过信号线与电源线之间的寄生电容，磁场耦合发生在长布线中线间的寄生互感上，高频辐射是通过高频交变磁场与信号间的寄生电容;三是PLC控制系统的接地系统不当引起的干扰。在实际设计中往往从以下几个方面考虑[1]：1）对程序和数据的保护;2）对工业生产环境的适应性;3）故障安全原则，系统间独立性原则与冗余及容错结构;4）运行时的实时性和连续性。
3 PLC控制系统的抗干扰设计
根据影响PLC控制系统可靠性的主要因素，在PLC控制系统开发设计时，应该从系统软件和硬件两方面考虑，以提高PLC控制制系统的可靠性和抗干扰能力。而在生产实际应用中，主要考虑控制系统的硬件抗干扰设计。
3MZ203D机床是轴承套圈内圆磨床，根据生产实际要求和多年的实践经验，对该3MZ203D内圆磨床的PLC控制系统硬件抗干扰设计及应用采取了相关措施，下面对此进行介绍。
3.1 抑制电源系统引入的干扰
为了抑制电网大容量设备起停引起的电网电压波动及工频干扰，这方面可采用隔离变压器，并进行滤波，所有屏蔽层进行良好接地。如图1所示。
3．2安装与布线额的抗干扰设计应用
在大地电位变化较大的场所，PLC系统受到共模干扰，很容易转变为串模干扰，控制系统的接地系统设计就尤为重要。控制系统的接地方式采用独立接地方，如图2所示。接地时应注意：接地线应尽量短且截面积应大于2mm； 接地点尽量靠近控制器；接地线应避开强电回路和主回路的电线，无法避开时应垂直交叉；接地电阻应小于2Ω。
PLC电源线、I／O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线、直流线分别使用各自的电缆，且尽量分开布线。开关量信号线和模拟量信号线也尽量分开布线。模拟量信号线应需要屏蔽电缆，并将电缆的屏蔽层接地；数字传输线也要采用屏蔽电缆，并将电缆的屏蔽层接地；当交流与直流的输入和输出信号线不得不问时使用同一配线管时，直流输入、输出信号线要使用屏蔽电缆，并将屏蔽层接地。
3.3 输入信号的抗干扰设计与应用
输入设备的输入信号的线间干扰(差模干扰)用输入模块的滤波器可以使其衰减，输入信号线与地问的共模十扰在控制器内部回路产生的电位差仍会引起控制器误动作。为了抗共模 F扰，控制器要良好接地。
当输入信号源为感性元件，输出负载的负载特性为感性元件时，为了防止反冲感应电势或浪涌电流损坏模块，对于交流输入信号在负载俩端并联电容C和电阻R，对于直流输入信号并联续流二极管VD，如图3所示。在图3 (a)中R、C参数一般选择为120Ω+0．1μF(当负荷容量<10V·A时)或47Ω+0.471μF(当负荷容量>10V·A时)。在图3(b)中，二极管的额定电流选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍。对于感应电压的干扰，采用输入电压直流化或输入端并接浪涌吸收器的方法抑制[1]。
3．4输出信号的抗干扰设计
交流感性负载场合下，在负载两端并接浪涌吸收器；直流负载场合下，在负载两端并接续流二极管VD， 以抑制输出信号的干扰，如图4所示。在图4(a)中，RC越靠近负载，抗干扰效果越好。当PLC的输出驱动的负载为电磁阀这类元件时，可在输出端和电磁阀之间加固态继电器(SSR)进行隔离。从抗干扰的角度出发，适当选择I／0模块也是很重要的。在干扰多的场合，可选用绝缘型的I／O模块和装有浪涌吸收器的模块，可以有效地抑制输入输出信号地干扰。
3．5输入输出信号漏电流地处理
当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时，当输出元件为双向，或是晶体管输出而外部负载又很小时会因为这类输出元件在关断时有较大地漏电流，使输入电路和外部负载电路不能关断，导致输入与输出信号地错误。为此，在这类输入、输出端要并联旁路电阻，以减小PLC输入电流和外部负载上的电流，如图5所示。
图5中旁路电阻可按以下方式计算：
R<um／(l1-0．25ln)
式中：Um为输入信号源或外部负载电压的大值；
l1为输入信号源或输出晶闸管大漏电流；
ln为输入点或外部负载的额定电流。
3.6 输入输出信号采用光电隔离措施的抗干扰设计
利用光电耦合器的开关特性实现输入和输出信号的完全隔离，是抑制干扰的有效措施之一。光电耦合器如图6所示。光电耦合器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把“模拟地” 和“数字地”断开。由于光电耦合器具有很高的输入／输出绝缘电阻和较高地输出阻抗，被测信号可通过光电耦合器获得通路，而共模干扰信号由于不成回路而得到有效抑制，在PLC控制系统现场I／O信号经光电耦合器隔离，与PLC系统本体分开，切断了干扰噪声的通道，解决了输入输出回路的抗干扰问题，是系统调试方便，运行可靠。
在3MZ203D专用磨床的PLC控制系统中，采用了以上几种方式的抗干扰措施，取得了良好的系统抗干扰能力，该系统经过了一段时间的使用，未出现由于干扰而引起的误动作，整个PLC系统的故障率也下降了，系统运行正常。
4 结束语
要提高PLC控制系统的抗干扰的措施还有很多，本文仅探讨和应用了常用的硬件抗干扰和保护措施。在实际应用当中，又充分考虑对PLC的各种不利因素，在硬件设计中采取适当的保护措施，就完全可以使控制系统安全可靠地运行。
系统故障的分析研究
一、系统故障涉及的范围
如附表所示，遇到的系统故障现象有以下几个方面：
·卡笼箱故障：TRICON、GE90-70PLC、3500卡笼箱均更换过。
·系统卡件烧坏：TRICON系统更换电源模块、主处理器MP、通讯卡EICM和各I/O卡件已有18块之多；EDS系统已更换电源模块、CPU、BIU、I/O卡件等达12块；本特立3500系统卡件更换4块；ASCC防喘振控制器烧坏等。
·系统通讯故障：EDS系统冗余的主副PLC出现6次不冗余现象；操作站与PLC的通讯故障出现4次。
·仪表设备烧坏：主风机静叶控制器的隔离栅烧毁1次；各类探头和前置器更换累计达30余台/次。
从附表可以看出，在装置和机组的运行期间，维护中对各类故障的处理措施基本上可以分几种情况。系统接地的处理：详细检查接地系统，确保仪表接地符合要求；将系统工作地和安全地分开。电源系统的处理：检查UPS的输出电压的精度及各项指标满足要求（由UPS厂家配合进行）；将UPS输出端三相四线的中性点N相做接地联接；更换UPS电源、6台变压器及电源开关。仪表回路的检查：将所有仪表回路做了详细的检查。
图1 TRICON系统示意图
二、系统维护中值得思索的几个问题
笔者认为，以下几个方面值得思考。
1、关于系统的工作环境因素
环境因素有温度、湿度、电磁场、空气尘埃等。实际上温度、湿度和空气中的腐蚀性气体及允许尘埃量都符合要求，尤其是和其它机组控制室相比都是一样的。
但交流电磁场的指标却很可能过高。原因如下：
·标准要求是：磁场＜2.5T/M，电场＜8V/M（14KHz~1GHz）
·据电磁场的理论可知：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。变化的电场和变化的磁场是相互联系着的一个不可分割的统一体，这就是电磁场。深入理解便是：
①恒定的电场周围无磁场，恒定的磁场周围无电场。
②均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，均匀变化的磁场周围产生恒定的电场。
③周期性变化的电场周围存在同周期的磁场，周期性变化的磁场在周围产生同周期的电场。
·TRICON和EDS系统柜下面距离约3米处便是高达1万伏的交流动力电源（其它机组没有）。当大电机启动或停运时产生很大的电磁场便会以光速传播到远处。如图3所示。而电子电路长期在这样强的电磁场环境中工作，其性能便会逐渐下降，直至烧毁。这可能就是我们遇到经常烧卡的现象。
图2 电磁场的产生
2、关于系统的可靠性和可用性的问题
众所周知,PLC具有很高的可靠性指标，一般公司的PLC模块其MTBF（平均无故障时间）都在几万到十几万小时，甚至几十万小时。以PLC为基础的控制系统的可靠性又如何保证呢？
据美国自动化行业的典型统计， 以PLC为基础的控制系统的故障分布率如下：
一个控制系统中只有20%的故障可由PLC直接诊断，而80%的故障在PLC外部,需要用的方法解决故障诊断。研究表明，在对一个成套设备或设备的故障检修时，有一半以上的时间花在检查、分隔、和确认故障及其发生地点的工作上。要提高以PLC为基础的控制系统的可用性，应在系统设计时充分考虑外部故障的防止和诊断的措施。
1） 选用质量可靠、性能好的输入和输出器件。
2） 充分利用PLC的软元件资源(如专为外部故 障检测准备的软元件)，强化PLC系统的外部故障检测的功能。充分利用PLCCPU模块和其它智能模块的自诊断功能，如CPU模块对自身的及对I/O模块的诊断及报警，通信模块对有关通信的诊断，热电偶输入模块对断偶的报警，等。充分认识PLCCPU的在线更换I/O模块的功能。这时应注意保持被更换的模块所处的状态，直到更换完毕再恢复直接从现场采集输入信号，或直接向现场输出信号。
3）正确选择I/O模块。绝大部分I/O模块都是8个或16个或32个输入/输出点共用1个公共点。特别是对输出模块的输出电流和流过公共点的电流均有限制。如某模块每个输出点的大电流为0.5A，8个点共用1个公共点，流过它的大电流为2A，这意味着只允许接通4点，否则会影响模块的安全使用。对于输入模块，则要注意对一个公共点它允许可接通的点数（通常为60%）。在安排输入/输出的清单时，千万不能忽略这个问题。
4）正确选择辅助开关电源。注意电源有足够的富裕容量。若安排双电源作并联运行，一定要考虑适当的电路保证负载不会都由其中一个内阻较低的那个电源承担。
现在的模块都采用新的集成电路元器件，元器件数量大为减少，电路板的热设计均可保证在小型化的长期可靠地工作。对于电源模块来讲，就比较难以达到这种境地。一般的电源模块相对体积较大。作为系统设计者一定要十分注意这个问题，让电源模块有足够的富裕容量。这种小钱没有必要省，省了小钱可能造成隐患，教训并不鲜见。
5）容错能力。容错能力是一个控制器的主要指标，它能检测出瞬时或固有的故障并对其进行在线修复。它提高了控制器的稳定性。故障诊断程序，一定要在编控制程序的考虑编故障诊断程序。有人把它称为基于PLC的嵌入式故障诊断程序。
还要注意输入模块的工作电压足以保证0和1状态正常翻转，切勿把工作电压定在接近0/1电平的下限，不然会产生工作不可靠的情况。
TRICON系统采用TMR技术，控制器包括三个完全独立的分电路（电源是双冗余的）。每个分电路与其它两个电路并行处理应用程序，并对所有离散IO数据进行三取二的表决，对模拟数据进行取中值的表决。由于每个分电路是与其它分电路完全隔离的，任何一个单点的故障都不会影响其它分电路，如一个分电路发生故障，其数据值会被其它的数据值覆盖，操作员可对其进修复或更换。TRICON具有在线诊断与自修复能力，对每个通道、每个模块以及每个功能电路就进行广泛的诊断，并能及时报告错误。允许日常的维护而为中断控制。
3、关于接地的问题
接地是一个相当复杂的问题。特别是我国长期以来在工矿企业中采用来自原苏联的三相四线制，把中线当作零线用。220VAC电源取自一根相线和中线。在未大量使用集成电路和微处理器前，并不曾产生很多问题。但随着集成电路和微处理器大量运用于仪表、低压电器、控制系统，甚至交直流传动控制后，正确处理接地便成为一个必须面对的技术问题。
对PLC控制系统来讲，接地并不难处理。对一般以开关量为主、兼有一定的模拟量（4-20mA或1-5V等大信号）的系统，大多数情况下可以不接地（即浮空）。因为对PLC来讲，按日本JIS标准，采用第三种接地，即接地电阻不大于100欧姆。如果你草率接了地，而这个地又是零线，并非真正的地，当三相严重不平衡时，零线的电位可能高达几十伏特，弄不好就会使CPU故障，这方面的教训在国内并不少见。如果系统中有热电偶等小信号，接地的问题就要化点功夫了。为了避免交变感应，在布线时要尽可能远离动力线，或信号线与动力线成正交排列，再加上电容滤波，在交流电源两端接电源滤波器等措施，干扰问题不难解决。
4、关于软硬件的配置问题
现代的PLC编程系统都是按IEC61131-3的标准建立的。应该说都贯彻了结构化编程的基本方针。TRICON系统的编程软件是MSW311，笔者用TS1131软件（是MSW311的版本）对TRICON系统的硬件配置进行了重新组态实验。结果发现主机架的额定功率是175W，而实际组态为185W，超过额定功率10W，组态如图3所示。如果按初的设计实际组态的功率达225W（初用2个EICM卡通讯，现在用2个NCM卡通讯），则过载40W。而2个扩展机架的实际功率均小于额定功率35W和75W，都载。
三、典型案例
2003年10月10日早8：30仪表值班巡检发现ARGG三机组TRICON控制系统第2机架4槽DI卡报警，Fault灯亮。故障诊断信息为“Daul—PortMemoryerror”，该故障清除不掉。当时的处理措施是：摘除该卡上的停机联锁，在线更换新卡。新卡工作正常后，故障信息可以清除掉。
图3 TRICON系统组态画面
表1 系统故障一览表
结论
PLC系统能否可靠长周期运行，涉及的范伟很广泛，系统的可靠性、安全性等必须符合设计规范，并注重使用环境，加强定期检测等维护，为平稳生产创造条件