PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

楊斌

主要研究PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)策略，分析了PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性影響因素，在此基礎(chǔ)上對PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】PLC控制系統(tǒng) 可靠性設(shè)計(jì)

PLC在工業(yè)控制中廣泛用于生產(chǎn)過程控制，和繼電器-接觸器傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比工作可靠性更好，系統(tǒng)集成化程度更高。近些年工業(yè)自動化、智能化程度進(jìn)一步提高，對加工精度的要求也更加苛刻，進(jìn)一步研究PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)策略十分必要。

1 PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性影響因素

PLC控制系統(tǒng)一般設(shè)置有PLC與現(xiàn)場設(shè)備兩個(gè)邏輯層次，PLC主要指中央處理器、主機(jī)箱、拓展機(jī)箱以及其他網(wǎng)絡(luò)外部設(shè)備，生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備則主要有繼電器、接觸器、開關(guān)、極限位置、安全保護(hù)、傳感器、儀表、電動機(jī)、信號線等。PLC控制系統(tǒng)是一個(gè)精密的通信控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中任意設(shè)備的小故障都會導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，分析PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性以及影響因素，是PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的第一步。

PLC自身工作運(yùn)行可靠性非常高，例如三菱公司F1、F2、FX系列，能夠無故障工作三十萬小時(shí)以上，統(tǒng)計(jì)資料顯示，PLC控制系統(tǒng)故障中，PLC自身故障僅占到5%，所有PLC自身故障中，95%都是I/O模板故障，剩下的5%方為PLC主機(jī)系統(tǒng)故障。PLC控制系統(tǒng)故障以現(xiàn)場設(shè)備故障為主，因此PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性主要受輸入、輸出設(shè)備可靠性影響。

2 PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

電控系統(tǒng)可靠性主要是指對系統(tǒng)可能發(fā)生故障的預(yù)防預(yù)測以及找尋系統(tǒng)潛在隱患與薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)階段，通過預(yù)防性設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)方案改進(jìn)來消除系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中存在的薄弱環(huán)節(jié)，降低系統(tǒng)在運(yùn)行控制過程中發(fā)生故障的幾率，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性能夠滿足可靠性需求?？煽啃栽O(shè)計(jì)一般有制定與執(zhí)行可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、選擇合適的元器件零部件、降頻設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)、健壯設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)、改錯(cuò)設(shè)計(jì)等工作內(nèi)容。PLC是一種可靠性非常高的控制元器件，以PLC為核心的控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性主要受輸入、輸出端連接、生產(chǎn)現(xiàn)場信號輸入輸出執(zhí)行原器件運(yùn)行可靠性影響。因此，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)方案時(shí)，要優(yōu)先選擇更高質(zhì)量元器件，并開展較高故障率元器件的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷，盡量使用PLC內(nèi)部元器件代替外部設(shè)備，屏蔽輸入誤信號，關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 成熟技術(shù)的使用

所謂成熟技術(shù)，是指選擇類似PLC這樣的，經(jīng)受住了工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)的技術(shù)，設(shè)計(jì)人員對成熟技術(shù)的掌握程度更深，熟練度更高，了解其運(yùn)行可靠性特點(diǎn)與薄弱環(huán)節(jié)，能夠采取有效的設(shè)計(jì)策略應(yīng)對，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富，掌握能力更強(qiáng)。一般情況下，PLC控制系統(tǒng)的成熟技術(shù)應(yīng)用應(yīng)該占到75%以上，因?yàn)镻LC控制系統(tǒng)與工業(yè)生產(chǎn)線高度結(jié)合，投入運(yùn)行和生產(chǎn)之后，對PLC控制系統(tǒng)的改造會非常困難，反復(fù)進(jìn)行修改是不現(xiàn)實(shí)的，設(shè)計(jì)方案中存在的硬件電路與軟件程序深層缺陷會在系統(tǒng)中長期存在難以發(fā)現(xiàn)，容易造成嚴(yán)重的質(zhì)量與安全事故，使用成熟技術(shù)則降低了系統(tǒng)內(nèi)缺陷的發(fā)生率，從而保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.2.2 選擇高質(zhì)量元器件

PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和信號輸入元器件、輸出執(zhí)行原器件的運(yùn)行可靠性密切相關(guān)，為了保證PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)要優(yōu)先選擇高質(zhì)量輸入輸出與執(zhí)行元器件設(shè)備，降低PLC外部設(shè)備與元器件運(yùn)行故障幾率。元器件可靠性有固有可靠性和使用可靠性兩方面，固有可靠性依賴元器件的制造工藝水平與設(shè)計(jì)方案先進(jìn)水平，使用可靠性也要通過設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化來保證。中國航天工業(yè)總公司失效分析中分的多年分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，元器件選擇使用不當(dāng)引起的失效在總失效中占達(dá)50%的比例，美國羅姆航空發(fā)展中心的統(tǒng)計(jì)資料顯示，集成電路總失效中，電過應(yīng)力損傷占到56.8%，都表明為了保證PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性，需要重視輸入輸出元器件和執(zhí)行設(shè)備的選擇，使用經(jīng)實(shí)踐證明運(yùn)行可靠性很高，供應(yīng)渠道可靠并且標(biāo)準(zhǔn)化程度高的元器件。

2.2.3 抗干擾設(shè)計(jì)

工業(yè)控制現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜，電場和磁場干擾比較嚴(yán)重，PLC控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備和通信信道均暴露在電場和磁場范圍內(nèi)，導(dǎo)線之間會產(chǎn)生電容耦合、電感耦合、輻射、通道干擾等多種形式的干擾，并且系統(tǒng)中存在著較多的接地點(diǎn)，不同的接地點(diǎn)之間可能存在著差異，接地點(diǎn)之間會產(chǎn)生地環(huán)電流干擾。為了提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾性能，輸入輸出通信信道中要增加屏蔽線與雙絞線，使用雙絞線消除電磁干擾，并在雙絞線上增加電磁屏蔽層，合理接地，則能夠在抑制磁場干擾同時(shí)抑制電場耦合干擾。此外還可以應(yīng)用遠(yuǎn)離技術(shù)，保持強(qiáng)信號與弱信號線間距離至少100mm，同時(shí)還要采取必要的屏蔽措施，將導(dǎo)線放置于空心導(dǎo)體、金屬網(wǎng)內(nèi)，或者直接屏蔽干擾源，減少平行走線。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件可靠性設(shè)計(jì)主要涉及到容錯(cuò)、改錯(cuò)、差錯(cuò)、避錯(cuò)等內(nèi)容，合理使用避錯(cuò)設(shè)計(jì)方法能夠有效保證軟件設(shè)計(jì)的正確性，減少差錯(cuò)，增強(qiáng)程序自身容錯(cuò)能力。軟件要設(shè)置有故障檢測程序，采用時(shí)間故障檢測法，檢測工步開始同時(shí)啟動定時(shí)器，檢測軟件工作狀態(tài)，動作在定時(shí)器設(shè)定值內(nèi)完成，表示被監(jiān)控對象工作正常，否則則告警。邏輯錯(cuò)誤檢測法是另一種常見的軟件檢錯(cuò)方法，PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行工作中，不同的輸入輸出信號與中間記憶裝置之間邏輯關(guān)系十分明確，軟件中可以編寫一些常見故障異常邏輯查看程序，如果該邏輯關(guān)系出現(xiàn)，則表示系統(tǒng)出現(xiàn)了對應(yīng)設(shè)備故障，從而及時(shí)告警、停機(jī)。

3 結(jié)語

可靠性設(shè)計(jì)大部分措施都以成本為代價(jià)，因此PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)要兼顧可靠性與實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，在保證滿意的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性同時(shí)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)投資規(guī)模。

參考文獻(xiàn)

[1]熊幸明，張文希.PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的研究[J].煤礦機(jī)電，2016（03）.

[2]李國厚，趙明富，徐君鵬.PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2015（04）.

[3]劉國棟，鄧娟妮.PLC自動控制系統(tǒng)的可靠性分析[J].科技資訊，2014（24）.

[4]曾湘，段文杰.試析PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)問題[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2015（22）.

[5]馮馬才.對PLC自動控制系統(tǒng)的可靠性問題與其設(shè)計(jì)方案的探究[J].科協(xié)論壇（下半月），2014（11）.

作者單位

山鋼集團(tuán)萊蕪分公司型鋼廠 山東省萊蕪市 271104