对可编程序控制器控制系统的可靠性探讨

分类：技术教程日期：2007-04-02 00:00:00

详述了影响可编程序控制器控制系统可靠性的主要因素，并就可编程序控制器的工作环境、电源的要求、接地和连接线的方式、冗余设计和降级操作设计、控制系统的输入电路和输出电路与可编程序控制器的软件程序编制等多个方面，提出了一些可行的方法和措施。通过对可编程序控制器的控制系统实际测试和多次试验，得出了几个适合生产环境、能符合控制系统要求的改进线路，从而使可编程序控制器控制系统的可靠性得到进一步的提高。
0、引言
可编程序控制器（以下简称PLC）是在程序控制器和微机控制器的基础上发展起来的微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。从广义上讲，PLC是一种计算机系统，比一般计算机具有更强的与业过程相连接的输入输出接口，并已成为自动化控制系统的基本装置。PLC已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中，已基本取代了传统的继电器和接触器的逻辑控制。用PLC来控制系统设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就PLC本身而言，平均无故障时间一般已可达3~5万小时；而三菱的F系列，据称其平均无故障时间已达30万小时。所以，整个PLC控制系统的可靠性，主要取决于PLC的外围设备，比如输入器件中的行程开关、按钮、接近开关，输出器件中的接触器、继电器和电磁阀等。另外，从软件程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的可靠性也有很大好处。下面就如何提高PLC控制系统的可靠性进行一些探讨。
1、从PLC的外围设备来考虑提高PLC的可靠性
PLC是专门为工业生产环境而设计的控制设备。当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。
1.1 工作环境的要求
除了为特殊工作环境而设计的PLC外，一般PLC工作的环境温度应在0~55℃的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。PLC应避免安装在有振动的场所；对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空气中有粉尘和有害气体时，应将PLC封闭安装。
1.2 电源的要求
不同的PLC产品，对电源的要求也不同，这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系数和输入输出的供电方式等。
对电磁干扰较强、而对PLC可靠性要求又较高的场合，PLC的供电应与动力供电和控制电路供电分开；必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%~30%的余量。对由控制器本身提供的直流电源，应了解它所能提供的最大电流，防止过电流造成设备的损坏。
1.3 接地和接线
1) PLC的良好接地是正常运行的前提。在设计时，PLC的接地应与动力设备的接地分开，采用专用接地；如不能分开接地时，应采用共用接地；绝对禁止采用共通接地方法。如图1所示，接地点应尽可能靠近PLC，接地线的线径应大于4mm2，接地电阻一般应小于10Ω。

图1 接地方法

2) PLC的接线包括输入接线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m；在线路距离较长时，可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线的COM端与输出接线的COM端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆；屏蔽层的接地端应为一点接地，接地点宜在控制器侧。

1.4 冗余设计和降级操作设计

1) 对可靠性要求较高的应用场合，冗余设计和降级操作是必要的。冗余设计可采用热后备或冷后备方式。热后备方式操作时，冗余的后备系统也同时运行，两者输出的结果一致时，表示系统是正常运行的；一旦结果不一致，则发出警报信号，同时，根据自诊断的结果，切换到正常的系统去。冷后备方式操作时，冷后备系统不运行，它在自诊断检测出运行系统故障后才切入后备系统。对PLC来说，冗余系统的范围主要是CPU、存储单元、电源系统和通信系统，只有在可靠性要求很高时，才会包括输入输出单元的冗余等。

2) 降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计。例如，紧急停车的设计，关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对人员的伤害。此外，在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。

1.5 PLC的I/O电路

1) 由于PLC是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入信号，因此输入电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的可靠性。比如：按钮、行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件。在设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的可靠性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，如图2和图3所示的是两个控制线路和它们的对应梯形图。这两个控制线路的控制功能完全一样，按下起动按钮，输出动作；按下停止按钮，输出断开；但它们的可靠性不一样。我们假设输出断开为安全状态，那么图3的可靠性要比图2的高。这是因为SB1、SB2都有发生故障的可能，而最常见的现象是输入电路开路。当采用图3电路时，不论SB1、SB2开关本身开路还是接线开路，输出都为安全状态，保证了系统的安全和可靠。

图2 起、停控制线路

图3 起、停控制线路

2) 在输入端有感性负荷时，为了防止反冲感应电势损坏模块，在负荷两端并接电容C和电阻R（交流输入信号），或并接续流二极管D（直流输入信号）。如图4所示：交流输入方式时，CR的选择要适当才能起到较好的效果。通过实验装置的测试，当负荷容量在10VA以下，一般选0.1μF+120Ω；负荷容量在10VA以上时，一般选0.47μF+47Ω较适宜。直流输入方式时，经试验得二极管的额定电流应选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍。

(a) 交流输入方式 (b) 直流输入方式
图4 输入端有感性负荷时的方式

3) 在输出端有感性负载时，通过试验得出：若是交流负载场合，应在负载的两端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V电压而功率为400VA左右时，CR浪涌吸收器为0.47μF+47Ω，如图5所示。CR愈靠近负载，其抗干扰效果愈好；若是直流负载场合，则在负载的两端并接续流二极管D，如图6所示。二极管也要靠近负载。二极管的反向耐压应是负载电压的4倍。

图5 输出端交流感性负载

图6 输出端直流感性负载

2、从PLC的软件程序来考虑提高控制系统的可靠性

为了提高PLC控制系统工作的可靠性，可以专门设置一个定时器，作为监控程序部分，对系统的运行状态进行检测。若程序运行能正常结束，则该定时器就立即被清零；若程序运行发生故障，如出现死循环等，该定时器在设定的时间到就无法清零，此时PLC发出报警信号。在设计应用程序时，使用这种方法来实现对系统各部分运行状态的监控。如果用PLC来控制某一对象时，编制程序时可定义一个定时器来对这一对象的运行状态进行监视：该定时器的设定时间即为这一对象工作所需的最大时间；当启动该对象运行时，同时也启动该定时器。若该对象的运行程序在规定的时间结束工作，发出一个工作完成信号，使该定时器清零，说明这一对象的运行程序正常；否则，属运行不正常，发出报警信号或停机信号。监控程序的梯形图如图7所示。图7中定时器T1为检测元件，X001为控制对象动作信号，X002为动作完成信号，M2为报警或停机信号。假设被控对象的运行程序完成一次循环需要50s，则定时器K值可取510（T1为100ms定时器）。当X001=1时，被控对象运行开始，T1开始计时；如在规定的时间内被控对象的运行程序能正常结束，则X002动作，M1复位，定时器T1被清零，等待下一次循环的开始；若在规定时间没有发出被控对象运行完成的动作信号，则判断为故障，T1的触点闭合，接通M2发出报警信号或停机信号。