對可編程序控制器控制系統的可靠性探討

分類：技術教程日期：2007-04-02 00:00:00

詳述了影響可編程序控制器控制系統可靠性的主要因素，并就可編程序控制器的工作環境、電源的要求、接地和連接線的方式、冗余設計和降級操作設計、控制系統的輸入電路和輸出電路與可編程序控制器的軟件程序編制等多個方面，提出了一些可行的方法和措施。通過對可編程序控制器的控制系統實際測試和多次試驗，得出了幾個適合生產環境、能符合控制系統要求的改進線路，從而使可編程序控制器控制系統的可靠性得到進一步的提高。
0、引言
可編程序控制器（以下簡稱PLC）是在程序控制器和微機控制器的基礎上發展起來的微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物。從廣義上講，PLC是一種計算機系統，比一般計算機具有更強的與業過程相連接的輸入輸出接口，并已成為自動化控制系統的基本裝置。PLC已經廣泛應用于機械、冶金、化工、汽車、輕工等行業中，已基本取代了傳統的繼電器和接觸器的邏輯控制。用PLC來控制系統設備，其工作的可靠性要比單純繼電器和接觸器控制大大提高。就PLC本身而言，平均無故障時間一般已可達3~5萬小時；而三菱的F系列，據稱其平均無故障時間已達30萬小時。所以，整個PLC控制系統的可靠性，主要取決于PLC的外圍設備，比如輸入器件中的行程開關、按鈕、接近開關，輸出器件中的接觸器、繼電器和電磁閥等。另外，從軟件程序的編制來考慮，如果能編制出一個帶有監控的程序，對提高系統的可靠性也有很大好處。下面就如何提高PLC控制系統的可靠性進行一些探討。
1、從PLC的外圍設備來考慮提高PLC的可靠性
PLC是專門為工業生產環境而設計的控制設備。當工作環境較為惡劣，如電磁干擾較強、濕度高、電源、輸入和輸出電路等易受到干擾時，會使控制系統的可靠性受到影響。
1.1 工作環境的要求
除了為特殊工作環境而設計的PLC外，一般PLC工作的環境溫度應在0~55℃的范圍，并要避免太陽光直接照射；安裝時要遠離大的熱源，保證足夠大的散熱空間和通風條件；空氣的相對濕度應小于85%，不結露，以保證PLC的絕緣良好。PLC應避免安裝在有振動的場所；對振動源允許的條件則應按照產品說明書的要求，安裝減振橡膠墊或采取其他防振措施。空氣中有粉塵和有害氣體時，應將PLC封閉安裝。
1.2 電源的要求
不同的PLC產品，對電源的要求也不同，這里包括電源的電壓等級、頻率、交流紋波系數和輸入輸出的供電方式等。
對電磁干擾較強、而對PLC可靠性要求又較高的場合，PLC的供電應與動力供電和控制電路供電分開；必要時，可采用帶屏蔽的隔離變壓器供電、串聯LC濾波電路等。在設計時，外接的直流電源應采用穩壓電源，供電功率應留有20%~30%的余量。對由控制器本身提供的直流電源，應了解它所能提供的最大電流，防止過電流造成設備的損壞。
1.3 接地和接線
1) PLC的良好接地是正常運行的前提。在設計時，PLC的接地應與動力設備的接地分開，采用專用接地；如不能分開接地時，應采用共用接地；絕對禁止采用共通接地方法。如圖1所示，接地點應盡可能靠近PLC，接地線的線徑應大于4mm2，接地電阻一般應小于10Ω。

圖1 接地方法

2) PLC的接線包括輸入接線和輸出接線。輸入接線的長度不宜過長，一般不大于30m；在線路距離較長時，可采用中間繼電器進行信號的轉換。輸入接線的COM端與輸出接線的COM端不能接在一起。輸入接線與輸出接線的電纜應分開設置。必要時，可在現場分別設置接線箱。集成電路或晶體管設備的輸入信號和輸出信號的接線必須采用屏蔽電纜；屏蔽層的接地端應為一點接地，接地點宜在控制器側。

1.4 冗余設計和降級操作設計

1) 對可靠性要求較高的應用場合，冗余設計和降級操作是必要的。冗余設計可采用熱后備或冷后備方式。熱后備方式操作時，冗余的后備系統也同時運行，兩者輸出的結果一致時，表示系統是正常運行的；一旦結果不一致，則發出警報信號，同時，根據自診斷的結果，切換到正常的系統去。冷后備方式操作時，冷后備系統不運行，它在自診斷檢測出運行系統故障后才切入后備系統。對PLC來說，冗余系統的范圍主要是CPU、存儲單元、電源系統和通信系統，只有在可靠性要求很高時，才會包括輸入輸出單元的冗余等。

2) 降級操作是指在設計時，將手動操作包括在內的設計。例如，緊急停車的設計，關鍵設備的開停和再啟動功能的設計等。這樣，一旦發生故障，可采用降級的操作，即對部分或全部設備進行手動的開停操作，以避免設備的損壞或對人員的傷害。此外，在設計中也可考慮從全自動到半自動、直至手動的操作等。

1.5 PLC的I/O電路

1) 由于PLC是通過輸入電路接受開關量、模擬量等輸入信號，因此輸入電路的元器件質量的好壞和連接方式直接影響著控制系統的可靠性。比如：按鈕、行程開關等輸入開關量的觸點接觸是否良好、接線是否牢固等。設備上的機械限位開關是比較容易產生故障的元件。在設計時，應盡量選用可靠性高的接近開關代替機械限位開關。此外，按鈕的常開和常閉觸點的選擇也會影響到系統的可靠性。現以一個簡單的起動、停止控制線路為例，如圖2和圖3所示的是兩個控制線路和它們的對應梯形圖。這兩個控制線路的控制功能完全一樣，按下起動按鈕，輸出動作；按下停止按鈕，輸出斷開；但它們的可靠性不一樣。我們假設輸出斷開為安全狀態，那么圖3的可靠性要比圖2的高。這是因為SB1、SB2都有發生故障的可能，而最常見的現象是輸入電路開路。當采用圖3電路時，不論SB1、SB2開關本身開路還是接線開路，輸出都為安全狀態，保證了系統的安全和可靠。

圖2 起、停控制線路

圖3 起、停控制線路

2) 在輸入端有感性負荷時，為了防止反沖感應電勢損壞模塊，在負荷兩端并接電容C和電阻R（交流輸入信號），或并接續流二極管D（直流輸入信號）。如圖4所示：交流輸入方式時，CR的選擇要適當才能起到較好的效果。通過實驗裝置的測試，當負荷容量在10VA以下，一般選0.1μF+120Ω；負荷容量在10VA以上時，一般選0.47μF+47Ω較適宜。直流輸入方式時，經試驗得二極管的額定電流應選為1A，額定電壓要大于電源電壓的3倍。

(a) 交流輸入方式 (b) 直流輸入方式
圖4 輸入端有感性負荷時的方式

3) 在輸出端有感性負載時，通過試驗得出：若是交流負載場合，應在負載的兩端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V電壓而功率為400VA左右時，CR浪涌吸收器為0.47μF+47Ω，如圖5所示。CR愈靠近負載，其抗干擾效果愈好；若是直流負載場合，則在負載的兩端并接續流二極管D，如圖6所示。二極管也要靠近負載。二極管的反向耐壓應是負載電壓的4倍。

圖5 輸出端交流感性負載

圖6 輸出端直流感性負載

2、從PLC的軟件程序來考慮提高控制系統的可靠性

為了提高PLC控制系統工作的可靠性，可以專門設置一個定時器，作為監控程序部分，對系統的運行狀態進行檢測。若程序運行能正常結束，則該定時器就立即被清零；若程序運行發生故障，如出現死循環等，該定時器在設定的時間到就無法清零，此時PLC發出報警信號。在設計應用程序時，使用這種方法來實現對系統各部分運行狀態的監控。如果用PLC來控制某一對象時，編制程序時可定義一個定時器來對這一對象的運行狀態進行監視：該定時器的設定時間即為這一對象工作所需的最大時間；當啟動該對象運行時，同時也啟動該定時器。若該對象的運行程序在規定的時間結束工作，發出一個工作完成信號，使該定時器清零，說明這一對象的運行程序正常；否則，屬運行不正常，發出報警信號或停機信號。監控程序的梯形圖如圖7所示。圖7中定時器T1為檢測元件，X001為控制對象動作信號，X002為動作完成信號，M2為報警或停機信號。假設被控對象的運行程序完成一次循環需要50s，則定時器K值可取510（T1為100ms定時器）。當X001=1時，被控對象運行開始，T1開始計時；如在規定的時間內被控對象的運行程序能正常結束，則X002動作，M1復位，定時器T1被清零，等待下一次循環的開始；若在規定時間沒有發出被控對象運行完成的動作信號，則判斷為故障，T1的觸點閉合，接通M2發出報警信號或停機信號。