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黃法春，楊振鐸

隨著控制技術的發展，現代控制系統使用了大量的可編程控制器（PLC），其中微型、小型PLC更普遍。PLC依靠其可靠性、靈活性和低成本，遍布控制系統的每個角落。據有關資料統計，在PLC控制系統中，系統故障的95%發生在PLC外部，5%發生在PLC內部。PLC內部故障中，有90%是發生在I/O模板中。由此看來，99.5%的系統故障發生在PLC的外圍電路及I/O模板中，因此在系統設計和維護中，應重點注意外圍電路。下面從六個方面簡單探討一下外圍電路設計及維護中應注意的事項。
1  電源
穩定可靠的電源是整個系統可靠運行的基礎。電網的沖擊，頻率的波動將直接影響實時控制的精度和可靠性，有時會對系統帶來毀滅性的破壞。在市電質量不高的場所，如大電機、電焊機、變頻器、中高頻加熱設備等大功率設備會對電網產生沖擊或干擾，PLC系統電源應采用隔離變壓器、交流穩壓器或UPS電源等。PLC輸入點的電源可以用PLC本身提供的24V電源，但不能超過其負載能力，一般PLC的24V電源只有200mA至500mA的輸出能力（具體數據應參考使用手冊），設計時應計算輸入點和擴展模塊的功率，若超出，可以另增加24V電源給輸入輸出供電。系統若有模擬擴展模塊，應用PLC本身提供的24V電源獨立為其供電。輸入和輸出的電源應分別安裝開關和保護裝置。
2  接地
PLC系統接地要求比較嚴格，最好有獨立的專用接地系統，還要注意與PLC有關的其他設備也要可靠接地。多個電路接地點連接在一起時，會產生意想不到的電流，導致邏輯錯誤或損壞電路。產生不同的接地電勢的原因，通常是由于接地點在物理區域上被分隔的太遠，當相距很遠的設備被通信電纜或傳感器連接在一起的時候，由電纜線和地之間的電流就會流經整個電路，即使在很短的距離內，大型設備的負載電流也可以在其與地電勢之間產生變化，或者通過電磁作用直接產生不可預知的電流。在不正確的接地點的電源之間，電路中有可能產生毀滅性的電流，以至于破壞設備。PLC 系統一般選用一點接地方式。接地方式如下圖1所示。模擬回路的接地十分重要，為了提高抗共模干擾能力，對于模擬信號可以采用屏蔽浮地技術，即信號電纜的屏蔽層一點接地，信號回路浮空，與大地絕緣電阻應不小于50MΩ。
 

圖1  接地方式示意圖

(a)專用接地（最好）(b)公用接地（可以）(c)借用接地（不可）
故障事例1：控制系統組成如圖2所示，運行一段時間后發現PLC的RS-485通訊口不能正常傳輸數據，更換一新的PLC，系統正常，但2個月后又出現同樣的故障，查找原因發現，計算機外殼有30~60V的交流電壓，計算機未接地。此電壓經過PPI電纜和RS-485通訊口到地，形成電流回路，將通訊口燒壞。解決方法：① 將計算機可靠接地，如圖2虛線所示；② 用光電隔離型的PPI電纜替代原電纜。 

圖2  故障事例1示意圖

3  抗干擾處理
工業現場的環境比較惡劣，存在著許多高低頻干擾。這些干擾一般是通過與現場設備相連的電纜引入可編程控制器的。除了接地措施外，在電纜的設計選擇和敷設施工中，應注意采取一些抗干擾措施。
①  模擬量信號屬于小信號，極易受到外界干擾的影響，應選用雙層屏蔽電纜。
②  高速脈沖信號（如脈沖傳感器、計數碼盤等）應選用屏蔽電纜，既防止外來的干擾，也防止高速脈沖信號對低電平信號的干擾。
③  PLC之間的通訊電纜頻率較高，一般應選用廠家提供的電纜，在要求不高的情況下，可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜。
④  模擬信號線、直流信號線不能與交流信號線在同一線槽內走線。
⑤  控制柜內引入引出的屏蔽電纜必須接地，應不經過接線端子直接與設備相連。
⑥  交流信號、直流信號和模擬信號不能共用一根電纜。動力電纜應與信號電纜分開敷設。
在現場維護時，解決干擾的方法有：① 對受干擾的線路采用屏蔽線纜，重新敷設。② 在程序中加入抗干擾濾波代碼。
故障事例2：制管機組遞送機的運行受PLC控制，在正常工作過程中出現無規律性停車現象。停電檢查，操作按鈕和線路均無問題；在運行中觀察到，PLC的停車輸入口的指示燈有時出現快速閃亮的現象，確定是由外部高頻干擾引起的。解決方法：在程序中加入10ms時間濾波器，將該端口的瞬時干擾脈沖濾掉。只有停車按鈕閉合大于10ms時才停車。問題徹底解決。
4  輸出模塊的選用
輸出模塊分為晶體管、雙向可控硅、接點型。晶體管型的開關速度最快（一般0.2ms），但負載能力最小約0.2~0.3A、DC24V，適用于快速開關、信號聯系的設備，一般與變頻、直流裝置等信號連接，還應注意晶體管漏電流對負載的影響。可控硅型優點是無觸點、具有交流負載特性，輸出容量不大，100VA/AC200V。繼電器輸出具有交直流負載特點，容量大（一般250AC、2A），常規控制中一般首先選用繼電器觸點型輸出，缺點是開關速度慢，一般在10ms左右，不適于高頻開關應用。
5  I/O口的保護
(1)  晶體管輸出，對大的感性負載或頻繁開關的感性負載，可在負載的兩端反并聯二極管以防止擊穿內部二極管，如圖3(a)。
(2)  雙向可控硅輸出，對大的感性負載可以用阻容網絡及壓敏電阻（MOV）進行保護，如圖3(b)所示。壓敏電阻的額定電壓一般選擇在電源電壓120%~150%之間。
(3)  一般DC24V直流電磁鐵，在吸收電流在1A左右，可直接作為PLC輸出點的負載，同時在電路中加入保險和反電勢吸收元件，以延長輸出點的壽命，如圖3(c)所示；也有DC24V電磁鐵吸收電流在1.8A左右，可選用5A容量的中間繼電器替代直接輸出，如HH53P等。 

圖3  I/O口保護電路圖例

(4)  電磁閥AC220V的吸收電流一般小于1A，可直接用PLC繼電器觸點帶，但輸出線路應加保險或加入1A單極空氣斷路器，如DZ47-63/1C，以保護PLC的觸點避免在電磁鐵損壞時燒粘觸點，如圖3(d)所示。
6  外部電路安全設計
在控制正反轉接觸器電路，以及具有危險的控制電路中，除了在PLC的程序中加入相互連鎖外，應在外部電路設計安全連鎖電路。舉例如圖4所示。 
       

圖4  危險負載的安全電路設計

參考文獻：
[1]  TI 100 可編程控制器用戶手冊[Z]. 美國德州儀器公司, 1983.
[2]  FX2N系列微型可編程控制器使用手冊[Z]. MITSUBISHI ELECTRIC  CORPORATION, 1999,11.
[3]  S7-200可編程控制器系統手冊[Z]. 西門子（中國）有限公司, 2001,9.