提高水电站PLC系统的可靠性分析
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分析了水电站PLC系统的工作环境及对系统运行的影响并提出了相应的措施。
关键词： 水电站；PLC；可靠性
1引言
水电站的空间存在极强的电磁场，发电机的电压高达数千伏，电流高达数百安甚至数千安，开关站的输出电压高达数十千伏或数百千伏，发电厂的空间具有极强的电磁干扰。这种极强的电磁干扰将对PLC系统的通信、CPU的正常运行、PLC电源等造成影响。
PLC是水电站计算机监控系统核心部件，并且自成系统，PLC系统的可靠性直接关系着整个计算机监控系统的可靠性，采取措施提高水电站PLC系统的可靠性是十分必要的。
2环境对PLC系统运行的影响
2.1开入的“假信号”可能造成PLC系统的误动
若强电电缆和PLC的信号电缆不能有效地分隔开，甚至敷设在同一电缆沟内时，高电压、大电流电路接通和断开瞬间产生的强电干扰可能会在PLC输入信号线上产生很强的感应电压和感应电流，足以超出光电耦合器的抗干扰作用有效范围，使PLC输入端的光电耦合器中的发光二极管发光，使PLC输入点有效。这样的输入叫“假信号”或“误输入”，将导致PLC产生误动作。
当PLC的开入模块上接到“误输入”时，其控制程序并不能识别，将依据既定的逻辑关系作出推断，并发出动作命令,同时将此“误输入”不加识别地传向后台计算机。这样的动作命令属于“误动”，可能造成意外停机甚至重大事故。
2.2电源干扰将引起PLC系统不能正常运行甚至死机
水电站各种大功率用电、发电设备通过供电线路的阻抗耦合干扰PLC的电源，从而影响PLC系统的正常运行。当PLC系统供电电压过低时，系统将不能正常工作甚至死机；当供电电压过高或出现峰值电压时，将会对PLC系统造成冲击甚至损坏PLC系统。
2.3通信数据出错
水电站强电磁场的工作环境，将会对PLC的通信系统产生极大影响。较强的电磁干扰将会影响通讯数据的正确性，甚至会造成通信中断、瘫痪。
2.4开出端对PLC造成冲击，甚至对PLC系统造成损坏
水电站的控制电路电压等级一般为DC220V，这样的电压一般不能直接接入PLC数字量输出模块。另外开出电路的感应电流、感应电压也会窜入PLC开出模块对PLC系统造成冲击。
3所采用的可靠性措施
针对工作环境对PLC系统的各种影响，可以采取以下相应措施以保证系统的可靠性。
3.1屏体选用屏蔽性能良好的结构，以保证外部电磁干扰不在屏内部产生感应电压和感应电流。
3.2开入端选用光电隔离端子。外部开入信号的电压等级为DC220V，增强抗干扰性能；内部因为没有什么强电磁干扰，开入信号电压仍选DC24V工作。光电隔离端子输入侧和输出侧的绝缘电阻很高，一般为1012～1013Ω，而分布电容值很小，一般仅为0.5～1pF，从而输入侧的干扰很难通过；光电隔离端子中信息的传送介质为光，而信息的转换与传送过程是在不透明的密闭环境中进行的，从而不受通常的电磁信号和外界光的干扰。光电隔离端子不仅增加抗干扰性能，还能避免由开入端来的强干扰损坏屏内元器件。
3.3开出选用开关量输出端子。为避免开出端的干扰对PLC造成冲击，甚至对PLC系统造成损坏，应使用出口继电器，并选用开出量专用端子。PLC输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于发电站的DC 220V电路中，必须用PLC驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动DC 220V的负载。PLC系统只通过出口继电器的空接点对电站控制回路进行操作。对于屏内的信号灯、光字牌等工作电压为DC24V的负载可以用PLC输出模块内的小型继电器直接驱动。
3.4对于通讯部分，为提高其抗干扰性能，选用适合强干扰的工业环境的现场总线方式，通信介质选用屏蔽电缆。在实际应用中我们选用CAN总线方式。CAN采用短帧结构传输，每帧有效字节为8个，传输时间短，受干扰的概率低。而且每帧信息都有CRC校验和其他检错措施，保证数据出错率极低。当节点严重错误时，具有自动关闭功能，使总线上其他节点不受影响。CAN总线是最适合水电站等强干扰工业环境。实际运行证明CAN是水电站PLC通信的上佳选择。
3.5电源部分
如果PLC使用交流电源，在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可靠地接地。
低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺”，如用L1和L2来表示用来抑制高频差模电压，L3和L4来表示用等长的导线反向绕在同一磁环上的，50Hz的工频电流在磁环中产生的磁通互相抵消，磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电流在磁环中产生的磁通是迭加的，共模干扰被L3和L4阻挡。C1和C2来表示用来滤除共模干扰电压，C3来表示用来滤除差模干扰电压。R表示压敏电阻，其击穿电压略高于电源正常工作时的最高电压，平常相当于开路。遇尖峰干扰脉冲时被击穿，干扰电压被压敏电阻钳位，后者的端电压等于其击穿电压。
高频干扰信号不是通过变压器的绕组耦合，而是通过初级、次级绕组之间的分布电容传递的。在初级、次级绕组之间加绕屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，可以减少绕组间的分布电容，提高抗高频干扰的能力。
如果使用220V的直流电源（蓄电池）给PLC供电，可以显著地减少来自交流电源的干扰，在交流电源消失时，也能保证PLC的正常工作。
若PLC电源模块选用DC24V供电模块，可以选用外加开关电源方式。
这样，就把电源方向的干扰挡在开关电源之外了，现场运行证明这种方案是切实可行并可靠的。
3.6模拟量输入部分
模拟量尽量采用4～20mA这种不易受电磁干扰的电流信号方式，模拟量输入无论屏内还是屏外均要求用屏蔽电缆接线，并且屏蔽层一端要可靠接地，否则，电磁干扰将影响模拟量采样值的正确性。同时，在采样算法中也应加入滤波算法剔除较短的峰值较大的脉冲干扰。
3.7关于站内安装与布线
PLC应远离强干扰源，如高压开关柜、大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备、动力线等。与PLC装在同一个屏内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路，以避免屏内强磁场的产生。
PLC的I/O线与大功率线应分开走线，如因条件限制实在要在同一线槽中布线，信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆，开关量、模拟量I/O线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离。
4结束语
在水电站计算机监控系统中广泛使用了PLC，由于采用了上述的可靠性措施，在常年连续运行的情况下，PLC都能长期可靠工作。
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