現(xiàn)場(chǎng)故障排查及經(jīng)驗(yàn)分享

—— 干擾對(duì)PLC設(shè)備的影響及解決措施

（  內(nèi)蒙古愛威天洋科技有限公司  技術(shù)部  閔銳  2018.10）

可編程序控制器(PLC)由于具有可靠性高、功能強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)過程控制等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。但在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種干擾總是客觀存在的, 干擾不僅可能影響系統(tǒng)信號(hào)使控制精度降低、丟失 PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)，甚至是機(jī)器誤動(dòng)作, 嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)模塊燒毀或人員安全問題。

近日，在一個(gè)項(xiàng)目中遇到了一個(gè)非常奇怪的問題……現(xiàn)場(chǎng)目前共使用了24套羅克韋爾自動(dòng)化的CompactLogix系列PLC，但是總是出現(xiàn)無順序無規(guī)律的模擬量輸出模塊某個(gè)通道無輸出亦或是模擬量輸入模塊莫名的掉電丟失。起初現(xiàn)場(chǎng)工程師懷疑是PLC模塊硬件故障，但是這種大規(guī)模的沒有規(guī)律的故障很難說是硬件的問題，所以我們展開了排查。在排查的過程中首先就想到了是否有干擾導(dǎo)致？接地問題導(dǎo)致？亦或是供電問題導(dǎo)致？并逐步進(jìn)行了一一的排查，在詢問現(xiàn)場(chǎng)工程師后得知已經(jīng)做了接地并經(jīng)過測(cè)試，后排查是否由于供電問題導(dǎo)致模塊異常，在經(jīng)過一系列排查及對(duì)模塊電源兩側(cè)平衡后依然存在問題……

圖1. 現(xiàn)場(chǎng)CompactLogix 1769-L30ER控制器

   隨后我們更加確信的懷疑是電源端或是現(xiàn)場(chǎng)反饋回來的干擾造成的這些故障，所以我們決定使用示波器測(cè)量一下220V電源端及24VDC電源的干擾情況。在測(cè)量的過程中我們可以看到曲線波形存在較大的毛刺，并且嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生了曲線相位變化的情況，所以基本確定了是由于電源干擾造成的此次問題。

圖2.通過示波器測(cè)量受到干擾的波形

  在排查干擾源的過程中了解到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備爐體之前并沒有做接地，在一開始排查中確定為未接地導(dǎo)致干擾回傳至電路中及PLC控制柜中導(dǎo)致電源疊加使PLC模塊產(chǎn)生保護(hù)發(fā)生斷電的情況，但是通過與現(xiàn)場(chǎng)人員溝通并給所有爐體接地后使用示波器測(cè)量波形依舊有較大的毛刺的干擾現(xiàn)象。在近一天的觀察中發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)繼電器在吸合或是斷開的瞬間，示波器波形毛刺及抖動(dòng)非常大，該繼電器所連接的為現(xiàn)場(chǎng)爐體內(nèi)的一個(gè)搗錘，搗錘動(dòng)作便會(huì)引起較大的干擾；然而現(xiàn)場(chǎng)這邊之前的設(shè)計(jì)方案是使用220V的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及繼電器，但是該方案被替換成使用24V的設(shè)備，并且更改后設(shè)備兩端并沒有續(xù)流二極管，在設(shè)備動(dòng)作時(shí)會(huì)有較大的電流返回至電源側(cè)及PLC控制柜導(dǎo)致污染整個(gè)電源壞境，并且疊加后的是較大的，這個(gè)干擾源足以干擾破壞模塊導(dǎo)致PLC模塊進(jìn)行自我保護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溝通后給出兩套解決方案，方案一使用UPS電源接至PLC控制柜保證電源側(cè)穩(wěn)定；方案二考慮由于是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備返回的干擾，在單側(cè)增加二極管后依然還有干擾回饋，并且現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制設(shè)備處于同一電源環(huán)境，如需完全解決干擾問題則推薦需要給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備單獨(dú)供電，使兩側(cè)無法干擾。目前，現(xiàn)場(chǎng)還在整改中，相信按照我們給出的方案杜絕干擾便不會(huì)再出現(xiàn)設(shè)備故障的問題了。

圖3.現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備 偏析爐

圖4.現(xiàn)場(chǎng)PLC控制柜

圖5.低壓配電柜及調(diào)功器

   在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種干擾總是客觀存在的,干擾無論是對(duì)PLC等控制設(shè)備影響較大對(duì)現(xiàn)場(chǎng)其他的設(shè)備例如儀表或閥門也會(huì)造成較大的影響甚至是故障，那么我們?cè)撊绾翁幚砀蓴_的問題呢，下面我將首先分析干擾源及現(xiàn)場(chǎng)防干擾推薦的一些措施。

首先是PLC系統(tǒng)的干擾源，該類干擾源分為兩類，第一類為內(nèi)部干擾源：（1）設(shè)計(jì)中元器件布局不合理, 選用的元器件質(zhì)量較差, 致使內(nèi)部信號(hào)相互串?dāng)_;（2）線路中存在的容性元件所引起的寄生振蕩;（3）數(shù)字信號(hào)接地和模擬信號(hào)接地、系統(tǒng)接地等處理不當(dāng)。第二類為外部干擾源：（1）制系統(tǒng)供電電壓波動(dòng)及高次諧波等的干擾;（2）有無觸點(diǎn)開關(guān)的通-斷形成的高(低)頻干擾;（3）其他設(shè)備或空中電場(chǎng)通過電容耦合串入控制系統(tǒng)而引起干擾;（4）動(dòng)力強(qiáng)電信號(hào)在 PLC 系統(tǒng)電路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)而引起干擾;（5）相鄰信號(hào)線絕緣降低, 通過導(dǎo)線電阻引起的干擾等。因此，應(yīng)從兩個(gè)方面克服系統(tǒng)干擾：一是對(duì)客觀存在的干擾, 力求限制或抑制其干擾幅度，使之不影響系統(tǒng)正常工作；二是提高系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

其次在我們?cè)趯?duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該考慮到抗干擾的措施，在對(duì)電源處理的方面，由于PLC的控制系統(tǒng)電源一般都是220V的市電，市電電網(wǎng)的瞬變過程是經(jīng)常發(fā)生的電源波動(dòng)及大的感性負(fù)載或可控硅裝置的切換,很容易造成電壓畸變或毛刺,如直接供給 PLC及I/O模塊將引起不良后果。理論上有以下3種方式來防止此類干擾。（1）使用隔離變壓器衰減從電源進(jìn)線的高頻干擾信號(hào),輸入、輸出線應(yīng)用雙絞線以抑制共模干擾。其屏蔽層接地方式不同,對(duì)干擾抑制的效果也不一樣,一般將初、次級(jí)屏蔽層均接地。亦或是轉(zhuǎn)接一個(gè)UPS電源通過交直交進(jìn)行穩(wěn)壓保證電源質(zhì)量及高頻干擾信號(hào)。（2）用低通濾波器抑制高次諧波。低通濾波器的內(nèi)部電容與電感組合方式不同,其高次諧波抑制效果也有一定區(qū)別。另外其電源輸入、輸出線應(yīng)分隔開,屏蔽層應(yīng)可靠接地。（3）用頻譜均衡法抑制電源中的瞬變干擾。這種方法不常用,其成本較高。在實(shí)際工作中,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)干擾特點(diǎn)及PLC機(jī)型抗干擾能力等來選擇抗干擾措施。其中隔離變壓器和使用UPS穩(wěn)壓電源是常用的解決方案。

除了保證電源端的穩(wěn)定可靠，還需要對(duì)感性負(fù)載進(jìn)行處理防止干擾存在。感性負(fù)載具有儲(chǔ)能作用(工業(yè)控制領(lǐng)域中,感性負(fù)載多是交、直流電磁閥、繼電器及電機(jī)等),當(dāng)控制觸點(diǎn)斷開時(shí),電路的感性負(fù)載將產(chǎn)生高于額定電壓數(shù)倍的反電動(dòng)勢(shì);當(dāng)觸點(diǎn)吸合時(shí),由于觸點(diǎn)抖動(dòng)而產(chǎn)生電弧等。（1）對(duì)于直流接觸器或電磁閥,一般在線圈兩端并聯(lián)反向二極管(又稱續(xù)流二極管),如圖6所示。續(xù)流二極管可以選1A的管子,其額定電壓應(yīng)大于電源電壓3倍。（2）對(duì)交流中間繼電器和交流接觸器,應(yīng)在線圈的兩端并聯(lián)阻容電路(如圖7所示)。其電阻值可取51-120Ω電容值可取0.1-0.7μF,電容的額定電壓應(yīng)大于電源峰值電壓。