0　引　言

PLC(Programmable Logic Controller, 可编程逻辑控制器)广泛应用于各个行业的自动化控制系统中[1]，一旦其遭受到电压暂降事件影响而突然停机重启动或输出指令紊乱，将会给用户造成巨大的经济损失，因此一直被视为典型暂降敏感设备之一。文献[2]指出美国一家铝制品厂采用基于大量PLCs控制的自动生产线，发现当供电网端口电压跌落至75%，仅持续5个周期时就会导致传送、粉碎、搅拌等系统停止工作，重新启动后PLC已无法判断搅拌器应继续运转多长时间才能完成工作周期，平均每月造成经济损失达数百万美元。

文献[3-8]较为详细地探讨了PLC电压暂降耐受能力。其中，文献[3,4]分别给出了PLC及其离散型输入模块的电压暂降耐受曲线范围的典型值。文献[5]选取5款PLCs进行电压暂降测试，依据PLCs故障反应，将PLC暂降耐受特性曲线区别为“系统故障曲线”和“CPU故障曲线”。文献[6] 以6款PLCs为试品，通过对其电源模块、输入模块分别施加暂降信号并观测输出模块的状态变化，所得结果表明不同PLCs电压暂降耐受能力存在一定差别，而PLC可能会因I/O模块受电压暂降影响而输出错误控制指令。文献[7]测试了PLC在交流和直流供电方式下的电压暂降耐受能力，指出使用“坚强的”外部直流电源能够有效改善PLC电压暂降耐受性能。文献[8]指出影响PLC暂降耐受性能的最主要因素为电压暂降幅值与持续时间。国内研究电压暂降相关问题的文献很多，其中相当一部分文献会提及PLC电压暂降耐受特性，但多数仅是作简单说明或者直接引用国外早期结论而未开展过实验研究工作[9]。

仅给其DI施加电压暂降信号，当暂降幅值在(0～15%)UN时，PLC会停止运行而后重新启动；当暂降幅值在(15%～30%)UN，持续2 s以上时，记录到某次实验波形如图12所示。图12中P6的DI/DO在电压暂降期间出现电平多次跳变，导致了其运行状态不确定。观察到DI的波形变化与直流侧电容充放电波形相似，而DI电压变化波形与外部直流电源1输出电压一致。因此，可能是因为外部直流电源1的直流侧电容容量较小(100 uF)，会在一定残余电压作用下进行多次充放电，从而使得DI识别的电平状态无法保持。同样，对P4、P5、P6的PS或者PLC系统施加暂降信号也可能会出现此类现象，而它们的直流侧电容容量分别为68 μF、47 μF、68 μF，相较于其他PLCs电容68 μF×2、150 μF等较小。

考虑到PLC技术更新，包括生产工艺、损耗功率、电源结构、功能完善等方面[10]，PLC电压暂降耐受特性必然发生改变，但目前缺少各类新型PLCs的实验数据和详细分析，使得人们仍在引用早期典型PLC的暂降耐受能力变化范围[11,12]，难以说明目前PLC实际的暂降耐受特性，甚至可能会导致影响评估结果产生较大偏差。为此，本文在早期PLC实验研究基础上，选取了国内外8个主流品牌PLCs，搭建测试平台，考察电压暂降幅值、持续时间对PLC电源模块(Power Supply, PS)、离散输入模块(Discrete Input, DI)与PLC系统的暂降耐受性能的影响程度，确定了目前PLC电压暂降耐受能力的不确定区域。进一步，也研究了PLC受电压暂降影响后可能表现出的不确定运行状态与直流侧电容大小的关系。这些实验结果可作为进行典型敏感设备耐受能力分析与评估的依据。

1　PLC受电压暂降影响的机理分析

当PLC直接接入的供电端附近因大型电动机启动、短路故障等而发生电压暂降事件时，PLC电源模块、输入/输出模块的暂降敏感特性可能导致正常工作的系统突然中断或者控制紊乱。

1.1　电源模块

据统计，PLC系统遭受的电磁干扰中约有70%会通过PS耦合到PLC内部[13]，因此PS的工作性能会直接影响PLC运行可靠性。一般PLC的内部工作电源均采用反激式开关电源，将交流市电调制为CPU、I/O模块、通信模块和专用功能模块等所需的DC5V、24 V电压，其模块框图如图1所示。

1) Sample和Event类型：    |   |     |   |     ，其中Timestamp为时间戳，其格式为ISO8601时间标准格式yyyy-mm-ddThh:mm:ss.ffffZ，key表示数据项的名称，value为数据项的具体值。例如下列报文表示时间为2017-07-29T16:26:33.460470Z时X轴绝对坐标为168.423，Y轴绝对坐标为25.341：         

  

图1　PLC电源模块电路框图　　Fig.1　Circuit diagram of PLC PS module

为了使设备适应不同的交流市电，整流与滤波部分早期采用的拓扑结构如图2所示。

  

图2　半桥变换器拓扑　　Fig.2　Common topology of half-bridge rectifier

(2)不同PLCs的PS、DI模块暂降耐受性能存在差别。虽然PLC电压暂降耐受特性取决于PS、DI模块特性，但也是两者综合作用的结果。当PLC因暂降事件故障时，难以判断哪个模块起主导作用。

Uo(C)=1.414Ui

(1)

式中：Ui为输入电压有效值；Uo(C)为直流侧电容电压。

在实验中，测得当输入市电120 V时，该类电源整流侧输出约DC160 V；而接入220 V时，输出约为DC310 V，符合(1)式。那么，对相同滤波电容C而言，在允许范围内，接入市电等级越高，储能越大。这种电源结构的变化，必然会使其电压暂降耐受特性发生改变。

其中，W为生产线平衡率，ti为第i工序循环时间，si为第i工位定员数，t0为流水线线节拍TT，a为流水线定员数。经计算得出，生产线平衡率W=52%，说明该生产线平衡率需要进行极大地改善。

目前PLC电源采用类似结构，输入电压要求为AC100～240 V，允许在额定电压的-15%～10%范围内波动，即AC85～264 V。若以市电220 V为基准电压，则目前PLC自身已能够对暂降幅值高于38.6%(199×(1-15%)/220=38.6%)的事件免疫。另外，其电压暂降耐受性能还取决于直流侧电容C、稳压电路维持正常工作的最小电压限值Udc(min)和PLC消耗功率P。设直流侧电压U刚刚低于Udc(min)时对应时刻为tmax，则有表达式(2)成立。

 

(2)

式中：tmax为PLC能够最大忍受电压暂降的时间；U0为暂降发生前直流侧电容电压。虽然不同生产厂家有各自定制的电容器和稳压电路，但PLC自身消耗功率整体随着技术工艺改进而降低[1]，使得同容量的直流侧电容储能能够支撑更长持续时间的暂降事件。

大量文献显示,妇产科手术一般于麻醉前或术前30min给予抗菌药,多静脉注射头孢菌素(第2代),术中根据实际情况,适量增加用药。术后48h常规用药,其中常用药有抗厌氧菌类(2g)、头孢西丁(2g)、头孢替安(2g)等。针对手术污染现象,需根据患者综合情况,如血常规、体温、腹痛等,决定抗菌药用药是否延长,严重感染者可加用喹诺酮类。

由以上分析可知，市电等级、消耗功率、直流侧电容是影响PLC电源模块暂降敏感特性的主要因素。

1.2　离散型输入/输出模块

因此，PLC系统电压暂降耐受性能是其电源模块与输入模块的暂降耐受特性综合作用的结果。

  

图3　PLC离散型输入/输出模块电路框图　　Fig.3　Circuit diagram of PLC DI/DO module

如图3(a)所示，现场信号指PLC DI端口检测到按钮、开关等输入设备的逻辑状态，例如外部输入电压为15～30 V时DI识别为逻辑“1”，0～5 V时识别为逻辑“0”。尽管DI能够快速检测到现场信号的逻辑变化，DO响应却需要几十ms才能被刷新，因此，当现场信号遭受到至少持续10 ms以上的电压暂降干扰时(一般PLC输入响应时间约20 ms)，原本“1”指令才可能被误读为“0”指令而输出，从而导致控制进程中断或紊乱。而外部直流电源的暂降特性与其拓扑结构、容量、输入电压以及负荷大小相关。在实际现场中，选用一个“坚强的”外部直流电源就意味着DI也具有较强的电压暂降耐受能力。

中医制剂能力建设是中医院专科建设的重要方面，医院从战略角度，加强对制剂的研发、保护、推广使用显得尤为重要。在专科建设中，医院要主动寻求发展方向和突破点，制定有效的绩效激励机制，鼓励临床研究总结临床疗效好的治疗方法，对于医药市场供应缺失品种，有针对性的研发系列疗效好的病种处方，加强中医制剂的深入挖掘和保护，从而增强专科核心竞争力；加强中医制剂的人才队伍建设，创造良好的用人环境和氛围，充分调动临床医生、药学研究人员等开发制剂新品种的积极性，鼓励运用新剂型、新技术促进中药特色疗法的开展。

在图3(b)中，DO端口直接与负载、负载电源相接，仅起到通断负载电源的开关作用。DO端口暂降耐受特性与PLC电源关断信号、负载敏感性相关，而不会对PLC暂降耐受性能产生影响，因此在暂降特性测试实验中不予考虑。

输入/输出模块是PLC与控制现场各类信号联系的桥梁，需要处理各种外部电压，如DC24 V、AC220 V等。以下只考虑离散型输入/输出模块，图3(a)、(b)分别为直流输入接口电路图和继电器型输出接口电路图。

依据标准GB/T 15969.2-2008可编程序控制器 第2部分：设备要求与测试[15]，借鉴现有研究成果中电压暂降测试系统[5-7]，搭建实验平台原理电路图如图4所示。

2　实验方案设计

2.1　实验平台

由于专有知识只被CPIKN中某一个协同成员掌握，极易随协同成员的流失而从CPIKN中流失，尤其是在这些专有知识为协同成员的核心知识，协同成员不愿意共享的情况下。特别地，当该专有知识在产品创新中具有关键作用时，其流失极可能造成“知识孤岛”现象，从而阻碍产品创新活动的有效开展。专有知识比例与加权专有知识比例分别反映了专有知识在CPIKN知识资源中所占的数量比例与重要性比例。显然，二者比例越低，CPIKN应对知识流失的稳定性越高。

  

图4　实验平台原理电路Fig.4　Principle circuit of test platform

图4中描述了PLC交流供电和直流供电两种情况；外部直流电源均为开关电源DC24 V，电源1充当输入DI的现场信号，而当PLC为直流供电时电源2为其提供电压，此时电源1、2可为同一个外部直流电源；控制计算机通过软件控制Chroma 61860输出特定暂降幅值和持续时间的电压暂降事件，施加在PLC电源或输入模块上；实验中应保证PLC所有DI端口参与控制，所有DO端口动作都能被同时检测到；观察指示灯变化并记录输入输出波形。

图5为对应的现场接线图。实验平台主要包括暂降发生源Chroma 61860、PLC与示波器等，其中试品选用目前国内外市场上主流的小型PLCs，包括国外品牌三菱、欧姆龙、松下与国内品牌信捷、和利时、永宏，共计6个品牌8款PLCs，分别用P1～P8表示，基本参数如表1所示。

 

表1　试品PLCs基本信息

 

Tab.1　Basic information of samples PLCs

  

编号DI/DO电源电压/VP132AC100～240P248AC100～240P340AC100～240P424AC100～240P524AC100～240 P624AC100～240P710DC24P824DC24

  

图5　实验平台现场接线图Fig.5　Physical connection of test platform

2.2　实验内容、方法与步骤

考察暂降幅值与持续时间分别对PS、DI以及PLC系统(指PS与DI同时遭受电压暂降影响)电压暂降耐受性能的影响，研究直流侧电容容量与PLC系统不确定性运行状态的关系。基本方法为记录PLC遭受到的电压暂降波形与指示灯电流波形，比较两个波形以提取PLC实际耐受暂降的时间，从而绘制各PLCs的暂降耐受特性曲线。

实验步骤如下：

(1)按照图3搭建实验平台。在PLC正常供电下将测试程序下载至PLC中，连接外部电路使之达到实验要求，准备进行实验；

(2)控制Chroma 61860输出电压暂降信号，幅值从0UN (UN=220 V)开始，以5% UN为步长，每个幅值对应为一组实验，观察到PLC运行状态不再受暂降信号影响时实验内容结束。每组实验重复进行3次，每两次实验之间间隔至少10 s，所得实验数据取平均值；

(3)整理实验数据，提取PS、DI以及各PLCs暂降耐受度曲线，进行比较分析，得出实验结果。

3　实验结果分析与讨论

3.1　PS、DI模块以及PLC系统暂降耐受性能比较

分别对各试品的PS、DI模块及其PLC系统施加电压暂降信号，提取到对应的暂降耐受度曲线。考虑到DI/DO、供电形式的区别，仅以P1、P5和P8为代表，给出各自实验结果如图6、图7和图8所示。

  

图6　P1电压暂降耐受曲线　　Fig.6　Tolerance curve of P1 to voltage sag

  

图7　P5电压暂降耐受曲线　　Fig.7　Tolerance curve of P5 to voltage sag

  

图8　P8电压暂降耐受曲线　　Fig.8　Tolerance curve of P8 to voltage sag

从图6、图7和图8中分别可以看出，P1与其PS暂降耐受度曲线基本重合，而DI暂降耐受性能明显更好，其曲线拐点约为(27%UN，2.2 s)；P5暂降耐受度曲线在暂降幅值(0%～10%)UN时与DI重合，在(15%～30%)UN时与PS重合；P8暂降耐受性能相比于PS、DI模块更差。由此可知，不同PLCs的PS、DI模块暂降耐受性能存在差别。虽然PLC暂降耐受特性主要取决于PS、DI模块特性，但也是两者综合作用的结果，即当PLC系统受电压暂降影响而出现故障时，通常难以判断哪个模块起主导作用。

3.2　早期典型PLC及其DI电压暂降耐受曲线范围

诸多文献在提到PLC电压暂降耐受特性时仍会引用早期文献[3,4]中给出的典型PLC及其DI模块暂降耐受能力的变化范围，如图9所示。

由图9可知，早期典型PLC暂降耐受能力的变化范围为幅值0.45～0.75 p.u.，持续时间15～615 ms；而DI的变化范围为电压幅值0.3～0.8p.u.，持续时间20～40 ms。可见，早期典型PLC及其DI均对电压暂降事件敏感。

随着计算机网络信息技术的不断发展，计算机网络安全中存在的问题由人为因素影响的现象越来越突出。根据相关的数据显示，人为威胁主要有以下几种表现形式。

  

图9　早期典型PLC及其DI电压暂降耐受曲线范围Fig.9　Range of sag tolerance curves of early typical PLC and DI

3.3　典型PLC电压暂降耐受曲线范围

考察电压暂降幅值与持续时间对各PLCs系统暂降耐受性能的影响，实验所得电压暂降耐受度曲线如图10所示。

  

图10　PLCs电压暂降耐受度实验曲线　　Fig.10　Tolerance curves of PLCs to voltage sages

(3)直流侧电容容量太小可能使PLC在电压暂降期间出现DI/DO电平多次跳变现象，造成PLC不确定性运行状态。因此，选用大容量的直流侧电容能有效改善其暂降耐受性能，但也应考虑电源体积、输入冲击电流等问题。

选取的试品均为国内外主流的小型PLC，包括交直流供电形式，所得实验曲线具有一定的代表性。因此，将图10中实验数据进行极值化处理(表达式见式(3))后，得到上、下限值曲线如图11所示，其中上限值曲线2为不考虑P2、P3的结果，i=1，4，5，6，7，8。为了与早期典型PLC电压暂降耐受曲线范围比较，对所得限值曲线进行“矩形化”包络处理，从而得到典型PLC暂降耐受能力的变化范围。

 

(3)

式中：Pi为试品编号，i=1，4，5，6，7，8。

  

图11　目前典型PLC电压暂降耐受曲线范围Fig.11　Range of recent typical PLC sag tolerance curves

当考虑所有试品时，典型PLC暂降耐受能力变化范围为电压幅值0.25～0.315 p.u.，持续时间24～1 220 ms；当不考虑个别品牌PLC(指P2、P3)时，典型PLC暂降耐受能力变化范围为电压幅值0.25～0.315 p.u.，持续时间570～1 220 ms，如图11中阴影部分所示。与图9相比，目前典型PLC暂降耐受能力的不确定区域减小，耐受性能明显改善，表现在能耐受更低暂降幅值和更长持续时间的暂降事件。

实验结果与机理分析较为一致，主要原因为：(1)PLC电源电路采用更为复杂的主动式PFC结构，使得供电电压范围更宽。而直流侧输出电压与输入市电电压呈一定比例关系，不同市电电压必然导致滤波电容储能变化；(2)PLC自身消耗功率减小；(3)生产工艺改进、外部直流电源暂降耐受性能增强等也会一定程度上改善PLC电压暂降耐受性能。

4　PLC不确定性运行状态分析

正常运行的PLC受电压暂降影响时，通常表现出正常运行和停止运行后随电压恢复而重新启动两种状态。然而，在实验过程中还发现，当某些PLCs遭受一定暂降范围的较长持续时间的暂降事件时，其DI/DO可能会出现多次电平跳变现象，使得所接指示灯出现闪烁。这种现象被定义为PLC不确定运行状态。以P6为例说明如下：

国家标准《工业企业信息化和工业化融合评估规范》(GBT/23020—2013)围绕两化融合核心内涵，规定了工业企业两化融合的评估框架和内容，为本研究奠定了扎实的理论基础[1-3]。如图1所示，两化融合评估框架将评估内容分为两化融合水平与能力的评估和两化融合效能与效益的评估两方面。工业企业在两化融合不断推进的过程中，其两化融合发展水平与能力不断推进，分步推动基础建设、单项应用、综合集成、及协同与创新，同时，工业企业两化融合效能与效益逐步提高，分别体现在企业自身竞争力、经济和社会效益两个方面，评估指标如图2所示。

针对P6做增大直流侧电容容量的实验，实验中给P6系统施加暂降信号(12.7%UN，10 s)，结果如图13所示。图中(a)为直流侧原始电容C0=68 μF，P6在暂降期间出现DI/DO电平多次跳变现象；(b)为增加直流侧电容到C=128 μF，P6在相同暂降信号下DI/DO电平跳变次数减少；(c)和(d)分别为增加直流侧电容到C=188 μF、C=218 μF，虽然DI/DO电平跳变次数一样，但是跳变过程更为光滑；(e)为增加直流侧电容到C=338 μF，P6已能耐受该暂降信号。

  

图12　DI遭受某些暂降信号时P6实验波形Fig.12　Test waveform of P6 when voltage sags were applied to its DI

  

图13　增加直流侧电容后遭受某些暂降信号时P6实验波形Fig.13　Test waveforms of P6 when voltage sags were applied to its system under increasing DC side capacitance

由此可知，直流侧电容容量大小与PLC不确定运行状态相关。当直流侧电容选取过小，可能使PLC在电压暂降期间更容易出现DI/DO电平多次跳变现象，导致PLC运行状态不确定。同时，也从另一个侧面说明选取较大容量的直流侧电容有助于改善PLC的暂降耐受性能。但是直流侧电容的选取并不是一味增大，也要考虑电源体积、输入侧冲击电流等因素。

5　结　论

本文搭建实验平台，考察了电压暂降幅值与持续时间对国内外主流的6个品牌8款PLCs的影响程度，提取了各PLCs暂降耐受度曲线，给出了目前典型PLC暂降耐受能力的不确定区域。与早期结论比较，典型PLC暂降耐受特性已发生了变化。此外，也研究了直流侧电容容量大小与PLC不确定运行状态的关系。通过实验研究可得到以下结论：

The gate–drain capacity Cgd/L was calculated as below:

(1)在不考虑个别品牌情况下，多数品牌PLCs电压暂降耐受能力差别不大，其耐受度曲线均近似呈“矩形”，暂降耐受能力的变化范围为电压幅值0.25～0.3 p.u.，持续时间570～1 220 ms，可用在更精确的暂降影响评估工作中。与早期结论相比，典型PLC暂降耐受性能已发生了明显改变。

当接入交流市电120 V时，K闭合，电路为倍压电路；当接入220 V时，K断开，电路为全波整流电路，滤波电容C1、C2串联。不论接入哪个市电，电路直流侧电压均约为DC340 V。如果电网侧突然发生电压暂降，C(C1、C2)将放电以维持直流负荷正常运行。任何交流市电的电压暂降都将引起直流侧电压衰减，衰减的持续时间取决于暂降的程度，但是直流侧电压衰减的幅度始终相同。所以，采用该拓扑[14]的早期PLC PS模块电压暂降耐受性能与市电等级无关。在实际应用中发现，使用切换开关K的做法存在安全隐患，一次错误切换可能对电源模块造成严重损坏。较好的方案是，市电输入从100～220 V全范围内不采用开关切换。目前，多数开关电源在结构上采用了主动式PFC(Power Factor Correction, 功率因数修正)，允许输入电压范围为85～264 V。虽然电源电路变得复杂，却明显提高了功率因数，使得输入电压范围变宽，输出电压纹波减小，而直流侧电容电压满足关系式(1)：

P3、P4为同一品牌，由图10可见，其暂降耐受度曲线与其他品牌在持续时间上差别较大，而其他品牌的耐受度曲线差别不大，均能够对暂降幅值不低于30%UN或者暂降持续时间不超过30周期的事件免疫；曲线形状近似呈“矩形”，而且有集中分布区域。

参考文献：

由于数据缺乏一致性和延伸性，对数据统计带来严重影响，使各级单位汇总数据出现较大问题。因此，要对数据统计管理模式进行不断完善，制定管理制度，要求各部门在对部分数据进行修改后，要及时通知相关业务部门，避免数据统计、汇总出现较大出入。对于同一个统计指标，要建立统一的口径，而针对不同时期统计数据，应对其大小关系进行明确，使当期数据与上季度及年度相对应数据相符，减少统计问题。此外，还要对各部门行政职责、权限进行明确，使其能够完成基本工作内容。对测绘地理信息管理各级部门所处地位进行明确，为开展年度预算、执行、评估提供方便。

[1] 廖常初. S7-300/400 PLC应用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015.

[2] MARK Stephens, CHUCK Thomas, TOM Paudert, et al. PLC Basics and Voltage Sag Susceptibilities-Part 1[J]. EC&M,2001， http://ecmweb.com/power-quality-archive.

[3] ROBERT Beaker,MATH Bollen,WILLIAM Bush,et al. IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility With Electronic Process Equipment[S]. New York: USA, The Institute of Electrical and Electronics Engineers.

[4] MATH H Bollen. Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags and Interruptions[M]. New York: Wiley-IEEE Press, 2000.

[5] MARK Stephen,CHUCK Thomas.Characterizing the Impact of Power Quality on Programmable Logic Controllers With and Without Power Conditioning Devices[R]. Palo Alto:EPRI&CEC, 2000.

[6] LARRY Morgan.Ride-through Performance of Programmable Logic Controllers [R].Knoxville: EPRI, 2003.

[7] SAN Diego. Ride-Through Characteristics of PLC AC and DC Power Supplies [R]. Knoxville:EPRI, 2008.

[8] MATH Bollen, IAN McMichael, MARK Stephens,et al. Voltage dip immunity of equipment in installations[C]//2008 13th International Conference on Harmonics and Quality of Power, Wollongong: Australia,2008.

[9] 徐永海, 陶顺, 肖湘宁. 电网中电压暂降和短时间中断[M]. 北京: 中国电力出版社, 2015.

[10] 冯汛, 倪红军, 石健, 等. PLC的应用发展与前景 [J]. 机床与液压, 2016, 44(2): 203-206.

[11] JUAN C. Cebrian, NELSON Kang, JOVICA V Milannovic. Probabilistic Estimation of Distribution Network Performance With Respect to Voltage Sags and Interruptions Considering Network Protection Setting: Part I-The Methodology[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2017, (99)：1-9.

[12] 贾清泉, 艾丽, 董海燕, 等. 考虑不确定性的电压暂降不兼容度和影响度评价指标及方法[J]. 电工技术学报, 2017, 32(1):49-57.

[13] 李伟. 滤波抗干扰技术在PLC控制系统中的应用分析 [J]. 中国科技博览, 2012, (26): 243-243.

[14] STEPHENS M, WRIGHT A, DORR D. Power Quality and Electro-magnetic Compatibility Impacts on Robotic and Automation Systems[R]. Palo Alto: California, 2001.

[15] 刘云思，陈思亮，杨昌焜，等.GB/T 15969.2-2008/IEC 61131-2:2007. 可编程序控制器[S]. 国国家标准化管理委员会, 2008.