现场故障排查及经验分享

现场故障排查及经验分享

—— 干扰对PLC设备的影响及解决措施

（  内蒙古爱威天洋科技有限公司  技术部  闵锐  2018.10）

可编程序控制器(PLC)由于具有可靠性高、功能强、易于实现过程控制等优点而得到广泛应用于工业生产现场。但在生产现场各种干扰总是客观存在的, 干扰不仅可能影响系统信号使控制精度降低、丢失 PLC 内部数据，甚至是机器误动作, 严重时可能出现模块烧毁或人员安全问题。

近日，在一个项目中遇到了一个非常奇怪的问题……现场目前共使用了24套罗克韦尔自动化的CompactLogix系列PLC，但是总是出现无顺序无规律的模拟量输出模块某个通道无输出亦或是模拟量输入模块莫名的掉电丢失。起初现场工程师怀疑是PLC模块硬件故障，但是这种大规模的没有规律的故障很难说是硬件的问题，所以我们展开了排查。在排查的过程中首先就想到了是否有干扰导致？接地问题导致？亦或是供电问题导致？并逐步进行了一一的排查，在询问现场工程师后得知已经做了接地并经过测试，后排查是否由于供电问题导致模块异常，在经过一系列排查及对模块电源两侧平衡后依然存在问题……

图1. 现场CompactLogix 1769-L30ER控制器

   随后我们更加确信的怀疑是电源端或是现场反馈回来的干扰造成的这些故障，所以我们决定使用示波器测量一下220V电源端及24VDC电源的干扰情况。在测量的过程中我们可以看到曲线波形存在较大的毛刺，并且严重时甚至发生了曲线相位变化的情况，所以基本确定了是由于电源干扰造成的此次问题。

图2.通过示波器测量受到干扰的波形

  在排查干扰源的过程中了解到现场设备炉体之前并没有做接地，在一开始排查中确定为未接地导致干扰回传至电路中及PLC控制柜中导致电源叠加使PLC模块产生保护发生断电的情况，但是通过与现场人员沟通并给所有炉体接地后使用示波器测量波形依旧有较大的毛刺的干扰现象。在近一天的观察中发现其中有一个继电器在吸合或是断开的瞬间，示波器波形毛刺及抖动非常大，该继电器所连接的为现场炉体内的一个捣锤，捣锤动作便会引起较大的干扰；然而现场这边之前的设计方案是使用220V的现场设备及继电器，但是该方案被替换成使用24V的设备，并且更改后设备两端并没有续流二极管，在设备动作时会有较大的电流返回至电源侧及PLC控制柜导致污染整个电源坏境，并且叠加后的是较大的，这个干扰源足以干扰破坏模块导致PLC模块进行自我保护。根据现场沟通后给出两套解决方案，方案一使用UPS电源接至PLC控制柜保证电源侧稳定；方案二考虑由于是现场设备返回的干扰，在单侧增加二极管后依然还有干扰回馈，并且现场设备与控制设备处于同一电源环境，如需完全解决干扰问题则推荐需要给现场设备单独供电，使两侧无法干扰。目前，现场还在整改中，相信按照我们给出的方案杜绝干扰便不会再出现设备故障的问题了。

图3.现场执行设备 偏析炉

图4.现场PLC控制柜

图5.低压配电柜及调功器

   在生产现场各种干扰总是客观存在的,干扰无论是对PLC等控制设备影响较大对现场其他的设备例如仪表或阀门也会造成较大的影响甚至是故障，那么我们该如何处理干扰的问题呢，下面我将首先分析干扰源及现场防干扰推荐的一些措施。

首先是PLC系统的干扰源，该类干扰源分为两类，第一类为内部干扰源：（1）设计中元器件布局不合理, 选用的元器件质量较差, 致使内部信号相互串扰;（2）线路中存在的容性元件所引起的寄生振荡;（3）数字信号接地和模拟信号接地、系统接地等处理不当。第二类为外部干扰源：（1）制系统供电电压波动及高次谐波等的干扰;（2）有无触点开关的通-断形成的高(低)频干扰;（3）其他设备或空中电场通过电容耦合串入控制系统而引起干扰;（4）动力强电信号在 PLC 系统电路中产生感应电势而引起干扰;（5）相邻信号线绝缘降低, 通过导线电阻引起的干扰等。因此，应从两个方面克服系统干扰：一是对客观存在的干扰, 力求限制或抑制其干扰幅度，使之不影响系统正常工作；二是提高系统自身的抗干扰能力。

其次在我们在对系统设计时也应该考虑到抗干扰的措施，在对电源处理的方面，由于PLC的控制系统电源一般都是220V的市电，市电电网的瞬变过程是经常发生的电源波动及大的感性负载或可控硅装置的切换,很容易造成电压畸变或毛刺,如直接供给 PLC及I/O模块将引起不良后果。理论上有以下3种方式来防止此类干扰。（1）使用隔离变压器衰减从电源进线的高频干扰信号,输入、输出线应用双绞线以抑制共模干扰。其屏蔽层接地方式不同,对干扰抑制的效果也不一样,一般将初、次级屏蔽层均接地。亦或是转接一个UPS电源通过交直交进行稳压保证电源质量及高频干扰信号。（2）用低通滤波器抑制高次谐波。低通滤波器的内部电容与电感组合方式不同,其高次谐波抑制效果也有一定区别。另外其电源输入、输出线应分隔开,屏蔽层应可靠接地。（3）用频谱均衡法抑制电源中的瞬变干扰。这种方法不常用,其成本较高。在实际工作中,应根据现场干扰特点及PLC机型抗干扰能力等来选择抗干扰措施。其中隔离变压器和使用UPS稳压电源是常用的解决方案。

除了保证电源端的稳定可靠，还需要对感性负载进行处理防止干扰存在。感性负载具有储能作用(工业控制领域中,感性负载多是交、直流电磁阀、继电器及电机等),当控制触点断开时,电路的感性负载将产生高于额定电压数倍的反电动势;当触点吸合时,由于触点抖动而产生电弧等。（1）对于直流接触器或电磁阀,一般在线圈两端并联反向二极管(又称续流二极管),如图6所示。续流二极管可以选1A的管子,其额定电压应大于电源电压3倍。（2）对交流中间继电器和交流接触器,应在线圈的两端并联阻容电路(如图7所示)。其电阻值可取51-120Ω电容值可取0.1-0.7μF,电容的额定电压应大于电源峰值电压。