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2  电磁干扰源及对系统的干扰
2.1  干扰源及干扰一般分类  
影响 PLC 控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。  
干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达 130V 以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统 I/O 模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。  
2.2 PLC 控制系统中电磁干扰的主要来源
2.2.1  来自空间的辐射干干扰
空间的辐射电磁场（ EMI ）主要是由电力网络、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的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若 PLC 系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对 PLC 内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对 PLC 通信内网络的辐射，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，一般通过设置屏蔽电缆和 PLC 局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。  
2.2.2  来自系统外引线的干扰
主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。
（ 1 ）来自电源的干扰
实践证明，因电源引入的干扰造成 PLC 控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的 PLC 电源，问题才得到解决。
PLC 系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、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。 PLC 电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，隔离是不可能的。
（ 2 ）来自信号线引入的干扰
与 PLC 控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一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；二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 信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还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。 PLC 控制系统因信号引入干扰造成 I/O 模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。
（ 3 ）来自接地系统混乱时的干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性（ EMC ）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使 PLC 系统将无法正常工作。
PLC 控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对 PLC 系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，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，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。
此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，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不等电位分布，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，引起对信号测控的严重失真和误动作。  
2.2.3  来自 PLC 系统内部的干扰
主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于 PLC 制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。  
3 PLC 控制系统工程应用的抗干扰设计
为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。
PLC 控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要以下两个方面。  
3.1  设备选型
在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性（ EMC ），尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的 PLC 系统；其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。   在选择国外进口产品要注意：我国是采用 220V 高内阻电网制式，而欧美地区是 110V 低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高 4 倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，在国外能正常工作的 PLC 产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准（ GB/T13926 ）合理选择。
3.2  综合抗干扰设计
主要考虑来自系统外部的几种如果抑制措施。主要内容包括：对 PLC 系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是原理动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。
4  主要抗干扰措施
4.1  采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰
在 PLC 控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入 PLC 控制系统主要通过 PLC 系统的供电电源（如 CPU  电源、 I/O 电源等）、变送器供电电源和与 PLC 系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于 PLC 系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和 PLC 系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，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（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少 PLC 系统的干扰。
此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（ UPS ）供电，提高供电的安全可靠性。并且 UPS 还具有较强的干扰隔离性能，是一种 PLC 控制系统的理想电源。  
4.2  电缆选择的敖设
为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。笔者在某工程中，采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，从而降低了动力线生产的电磁干扰，该工程投产后取得了满意的效果。
不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。  
4.3  硬件滤波及软件抗如果措施
信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。
由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在 PLC 控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。  
4.4  正确选择接地点，完善接地系统
接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是 PLC 控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对 PLC 控制系统而言，它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，装置之间的信号交换频率一般都低于 1MHz ，所以 PLC 控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的 PLC 系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于 22mm2 的铜导线，总母线使用截面大于 60mm2 的铜排。接地极的接地电阻小于 2Ω ，接地极好埋在距建筑物 10 ~ 15m 远处，而且 PLC 系统接地点必须与强电设备接地点相距 10m 以上。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在 PLC 侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。  
5  结束语
PLC 控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使 PLC 控制系统正常工作。
PLC 故障与显示方法
在 PLC 控制系统中由于误操作、外围元件设备故障等会经常引发生产上的损失和安全事故，因此本文着重探讨故障形成的各种类型并进行逻辑设计，同时将故障诊断信息通过特定的途径进行显示、报警和存档。
关键词      可编程控制器      故障诊断      逻辑图
1  前言
在 PLC 组成的各类控制系统中，   由于复杂的逻辑关系、繁多的控制元件、分散的执行机构和运行设备，一旦其中发生误操作或者外围元件、设备的故障将会造成生产上的损失和安全事故。那么在设计控制系统时必须充分考虑到这一点，在便于维护和检修的前提下，自动、及时、准确地诊断和显示各类故障信息就显得尤其重要。本文就常见的故障诊断给予逻辑图、示意图的实现，并且探讨一种实际可行的途径将此信息显示、报警和存档。
2 PLC 系统的故障类型
PLC 系统的故障可以由以下几种：
2.1  状态矛盾诊断
红外我们根据设备或元器件之间的信号，来检查它们的实际状态是否处于逻辑矛盾，如是则必然有其中的一个信号为假状态。
比如某一上下滑动的气缸，其上下端的接近开关如采用同种型号且常开一致的情况下，如出现两接近开关的信号同为 “1” 时，说明其中一开关失灵，产生故障信息。用逻辑图表示如下 ( 略 )  ：
图中， I 1.0  和  I 1.1  分别表示上下限位，当 I 1.0 动作时， I 1.1 也动作时 PLC 诊断为故障 M 1.0  。类似的还有电机的正转和反转信号、行程开关的常开和常闭信号等均不能同时出现。
2.2  动作联锁条件故障
为保证特定设备的正常运行或执行机构的正确动作，一般需要提供动作的联锁条件，比如安全开关、设备的就绪、其他动作的到位等。一旦其中一项不满足且设备或执行机构的启动命令发出时，系统会显示联锁条件故障。
比如造纸机烘缸传动电机的正常运行，其首要条件为紧急安全开关（常闭 I 2.0 ）、烘缸润滑油正常信号（常闭 I 2.1 ）、烘缸干毯跑偏器限位正常信号（常闭 I 2.2 ）。如该传动启动命令（ I 2.3  为 “1” ）输出后，只要其中一个联锁条件不符和，就会产生动作联锁条件故障信息（ M 2.0 ）。 
上图 ( 略 )  中，当故障信息出现后可以用复位按钮（ I 2.4 ）进行复位。类似的情况除各类传动联锁条件外，还有啮合辊的动作联锁条件、 IR 红外线投入运行联锁条件等。
 2.3  动作不到位或命令发出后未动作诊断
气在设备运行和执行机构动作的命令发出后，为检测其动作的有效性和准确率，常常需要设置一定的时间延迟来判断动作的执行情况。对于动作不到位检测，需要在动作执行末端或执行的结果上加上检测开关（如行程开关、感应开关、流量开关、红外开关等）；对于未动作检测，则需要在执行前端或执行的结果上加上检测开关。
例如在一滑动气缸的前端加上一感应开关（常开 I3.0 ），动作命令（ Q 3.0 为 “1” ）发生前执行机构在前端位置，当动作命令 15 秒后仍未检测到感应开关发生变化，则输出未动作故障信息（ D 3.0 ）。该故障信息可用复位按钮（ I 10.0 ）进行复位。
         
类似的情况除各类气动、液动、电动执行机构外，还有泵体的运行（通过流量检测）、加热器的投入（通过 PT 热敏回路）等。
2.4  分步控制出错诊断
在实际的设备运行中经常需要分步控制以实现自动化的要求，因此发现分步控制中的错误并将该出错的分步显示出来，便于系统的安全运行，这就是分步控制出错诊断。
比如，某自动过程启动后，有 3 个分步动作。在启动命令信号发出后，先执行分步 1 动作，然后对该动作的结果进行判断，如正确继续进入分步 2 动作，不正确则退出该自动过程，同时显示故障信息 D 4.0( 分步 1 动作不充分 ) 。分步 2 、 3 动作的原理同分步 1 。待全部正确结束后才输出完成信号。
具体的故障诊断示意图如下 ( 略 )  ：
2.5  通讯控制故障诊断
PLC 系统的设计中常常会设计到与外围设备的通讯，进行数据位的传递和交换。为确保该通讯控制模块被正确调用和实时联系，需要在其中放置一计数器，每执行该通讯模块就累加一次，并将该累加值存储在 PLC 的数据块中。当诊断程序在特定的时间内（根据不同的程序块，时间设定也不同）检测不到累加值的变化，就发出故障信息（通讯出错）。计数器示意图如下 ( 略 )  ：
 
当通讯初始化时，计数器的值选通为 1 ，以后就逐次累加 1 ，就得到了新计数器的值。
3 PLC 故障的显示
将 PLC 控制系统的故障信息及时显示出来并报警，有利于检修时迅速找到故障点并展开工作；将故障信息的存档则有利于系统的长期维护和历史追述。
PLC 系统的故障信息一般存储在数据块（ DATA BLOCK ）中，如何通过增加外设来与此进行通讯或数据交换呢？通常情况下可采用以下几种：
2  直接利用该 PLC 的 CPU 上 RS232 － C 、 RS422 － A 、 RS485 标准接口，直接编程与普通工业 PC 电脑的串行口（ COM1 、 2 ）通讯，并安装 “ 组态王 ” 等工控软件。组态王目前的版本具有双机热备功能、加快 OPC 通讯速度、报警组从 32 个增加到 512 个优点。其报警历史数据可与 EXCEL 通讯，非常适合管控一体化。
2  直接利用 PLC 的编程口或在 PLC 系统中增加一块通讯卡，与触摸屏或文本显示器连接。它的优点具有具有报警列表功能，逐行实时显示当前报警信息。
2  在 PLC 系统中直接加入一块 PC 兼容卡，它能通过总线直接读取数据块并存储在硬盘中。该 PC 兼容卡不仅有工业 PC 机的各个特点，还能通过该卡上的鼠标、键盘和显示器 VGA 接口直接进行操作、显示，如西门子系统的 PC 兼容卡有 CP581 。
根据故障信息进行归类，按故障的严重性分为严重出错（ FAULT ）、故障报警（ ALARM ）、一般信息（ MESSAGE ）三类，并用不同的颜色进行标注，如为红色、黄色、绿色；按故障的来源分为电气责任（ E ）、仪表责任（ I ）、机械责任（ M ）和工艺责任（ T ）。
故障信息的存档按照时间序列先进先出（ FIFO ）原理放置于常用的数据库中，如 EXCEL 、 ACCESS 等。
4  结束语
在由 PLC 组成的控制系统中，要在繁多的元件、设备和复杂的逻辑关系的背后找到一条便利于维护和检修的捷径，关键就在于故障诊断程序的合理性、故障信息处理的规范化。本文对 PLC 系统故障的检测、诊断、显示、报警和存档进行了探讨，并用逻辑图进行故障诊断。在实际的应用设计中，要根据具体情况确定故障点和故障类型，并采用不同的方法去进行编程。