提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)因素

夏朝陽(yáng)

摘 要：筆者根據(jù)從業(yè)多年總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，分析了影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素，給出了衡量PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施，并就提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng) 可靠性 干擾 設(shè)計(jì)

一、可編程邏輯控制器（PLC）的定義及重要性

可編程邏輯控制器英文全稱(chēng)：Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為適應(yīng)多品種，小批量生產(chǎn)的需求而產(chǎn)生發(fā)展起來(lái)的一種新型的工業(yè)控制裝置。PLC的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)了接線邏輯到存儲(chǔ)邏輯的飛躍，其功能也由簡(jiǎn)單到強(qiáng)大，推進(jìn)了邏輯控制到數(shù)字控制的前進(jìn)步伐，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越寬泛，實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備簡(jiǎn)單控制到勝任運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制及集散控制等各種任務(wù)的跨越。今天的PLC在處理模擬量、數(shù)字運(yùn)算、人機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)的各方面能力都已大幅提高，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

二、影響PLC控制系統(tǒng)的可靠性因素

在工程實(shí)踐中，PLC（可編程控制器）常用來(lái)組成生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。，PLC控制系通常由，PLC和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成。PLC包括中央處理器、主機(jī)箱、擴(kuò)展機(jī)箱及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)與外部設(shè)備；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括繼電器、接觸器、各種開(kāi)關(guān)、極限位置、安全保護(hù)、傳感器、儀表、接線盒、接線端子、電動(dòng)機(jī)、電源線、地線、信號(hào)線等。它們當(dāng)中任何一個(gè)出現(xiàn)故障都會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。因此，分析其對(duì)系統(tǒng)可靠性影響的程度，是進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)、提高控制系統(tǒng)工作可靠性的重要依據(jù)。就PLC本身而言，其工作可靠性是非常高的。有資料表明，在PLC控制系統(tǒng)故障中，PLC的故障僅占系統(tǒng)故障的5%。PLC控制系統(tǒng)的故障主要發(fā)生在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，通常占系統(tǒng)故障的95%；與PLC相接的輸入、輸出設(shè)備的可靠性是影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素。

三、提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施

1、重視安裝

提高控制系統(tǒng)可靠性是一項(xiàng)長(zhǎng)期、持久的工作。首先，施工和安裝是非常重要的環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格把關(guān)，這樣可減少投產(chǎn)故障率。其次，要保證檢修質(zhì)量，特別是技改線路改動(dòng)和系統(tǒng)改造，是目前的當(dāng)務(wù)之急。否則，幾年的系統(tǒng)改造后，大量線路的更換，線號(hào)丟失及程序變更，該記錄備份的沒(méi)有做記錄等。致使維護(hù)工作量加大，可靠性得不到保證。這一項(xiàng)是人們極易疏忽的，必需引起高度重視。

2、老化篩選法

通常我們用“老化篩選”的方法，就是結(jié)束“早期”，延長(zhǎng)“偶然期”，“損耗期”及時(shí)更換來(lái)提高PLC系統(tǒng)的可靠性。該方法主要用于不可修復(fù)元件。PLC控制系統(tǒng)的失效率是與時(shí)間有關(guān)。我們將設(shè)備元件的故障率y（t）隨時(shí)間變化劃分為三個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析，這種變化曲線通常稱(chēng)故障率曲線也稱(chēng)為浴盆曲線。

（1）早期故障較高（O～t0期間）。主要是由于系統(tǒng)內(nèi)在設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、元器件質(zhì)量、安裝和工藝缺陷等不合理原因引起，但隨時(shí)間的增加故障率迅速降低。這一時(shí)期的主要任務(wù)是盡早找出不可靠的因素使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定下來(lái)。

（2）偶然期故障期（t0～t1期間）比較穩(wěn)定，也可稱(chēng)為隨機(jī)故障期。此時(shí)期故障是隨機(jī)發(fā)生的，系統(tǒng)的故障率最低而且穩(wěn)定，可視為常數(shù)。這一時(shí)期是系統(tǒng)的最佳狀態(tài)期，在運(yùn)行中應(yīng)以加強(qiáng)維護(hù)延長(zhǎng)這段時(shí)期的時(shí)間，應(yīng)做好定期檢修和維護(hù)工作。

（3）損耗期（t1之后）故障率上升，這是因?yàn)槌r(shí)間以來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)的某些零件已經(jīng)老化耗損，壽命衰竭機(jī)械和磨損以及絕緣的老化所引起。在這段時(shí)期中大部分元件要開(kāi)始失效。如能事先知道損耗開(kāi)始的時(shí)間，事先更換元器件，延長(zhǎng)系統(tǒng)的有效壽命。推遲耗損故障期的到來(lái)。

3、電源的選擇

電網(wǎng)于擾串入PLC系統(tǒng)主要通過(guò)供電電源（如CPU電源、I/0電源等）、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合而來(lái)。

對(duì)于PLC系統(tǒng)供電的電源，一般都采用隔離性能較好的隔離變壓器；對(duì)于變送器和共用信號(hào)儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽 及漏感技術(shù)）的配電器，以減少干擾。

4、輸入輸出的保護(hù)

輸入通道中的檢測(cè)信號(hào)一般較弱，傳輸距離可能較長(zhǎng)。檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重和電路構(gòu)成往往模數(shù)混雜等因素使輸入通道成為PLC系統(tǒng)中最主要的干擾進(jìn)入通道。在輸出通道中，功率驅(qū)動(dòng)部分和驅(qū)動(dòng)對(duì)象也可能產(chǎn)生較嚴(yán)重的電氣嗓聲，并通過(guò)輸出通道藕合作用進(jìn)入系統(tǒng)。

（1）采用數(shù)字傳感器。采用頻率敏感器件或由敏感參量R、L、c構(gòu)成的振蕩器等方法使傳統(tǒng)的模擬傳感器數(shù)字化，多數(shù)情況下其輸出為T(mén)TL電瓶的脈掉量，而脈沖量抗干擾能力強(qiáng)。

（2）對(duì)輸入輸出通道進(jìn)行電氣隔離。用于隔離的主要器件有隔離放大器、隔離變壓器、縱向扼流圈和光電耦合器等，其中應(yīng)用最多的是光電耦合器。利用光耦合兩個(gè)電路的地環(huán)隔開(kāi)，兩電路即擁有各自的地電位基準(zhǔn)，它們相互獨(dú)立而不會(huì)造成干擾。

（3）模擬量的輸入輸出可采用V/F、F/V轉(zhuǎn)換器。V/F（電壓/頻率）轉(zhuǎn)換過(guò)程是對(duì)輸入信號(hào)的時(shí)間積分，因而能對(duì)噪聲或變化的輸入信號(hào)進(jìn)行平滑，所以抗于擾能力強(qiáng)。

四、PLC控制系統(tǒng)可靠性的管理

1、設(shè)計(jì)的管理

對(duì)于整個(gè)電控系統(tǒng)來(lái)分析，要想順利完成可靠性的設(shè)備及工作，就要先對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行預(yù)防以及預(yù)測(cè)，明確系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)以及潛在隱患，在完成整個(gè)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)以及設(shè)計(jì)改進(jìn)工作之后，從而保證系統(tǒng)滿(mǎn)足可靠性的具體要求，可靠性設(shè)計(jì)的方法主要包括對(duì)各種可靠性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行貫徹與制定，科學(xué)合理的選擇以及使用零部件和元器件，從根本上完成降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)以及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等工作。PLC作為一種可靠性較高的控制裝置，輸出執(zhí)行元件的可靠性以及輸入信號(hào)元件的可靠性是保證各種控制系統(tǒng)可靠性的主要的元器件。

2、人的管理

隨著科技的發(fā)展，的科學(xué)含量不斷的提高。這將對(duì)工作人員的素質(zhì)提出更高的要求。工作人員不但要熟悉設(shè)備情況、檢修、規(guī)劃和設(shè)計(jì)等；而且還要懂得計(jì)算機(jī)以及具有一定技術(shù)水平。因此，必須從人員的培訓(xùn)力度、培訓(xùn)方式和培訓(xùn)內(nèi)容等著手。不斷提高工作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和思想素質(zhì)，才能勝任其工作崗位。

3、維護(hù)管理

PLC控制系統(tǒng)的可靠性，其主要因素還是要做好后期的維護(hù)管理工作，維護(hù)設(shè)備主要部位：供電，外部環(huán)境、安裝狀態(tài)、電源（PS）、中央處理單元（CPU）、信號(hào)模板（SM）及壽命元件輸人、輸出中間等外圍設(shè)備等。

結(jié)束語(yǔ)：PLC控制系統(tǒng)可靠性不僅取決于PLC硬件本身的質(zhì)量好壞，而且與周邊設(shè)備的質(zhì)量、硬件的安裝方式、軟件的編制等有很大關(guān)系。如何在硬件配置上提高系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的抗干擾能力，是提高系統(tǒng)可靠性的重要手段。深入理解影響PLC可靠性的因素，針對(duì)各種因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效提高PLC系統(tǒng)的可靠性。

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