PLC控制系統(tǒng)的可靠性研究

王爽 陳靜

摘 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)χ悄芑?、自?dòng)化水平的要求越來(lái)越高，這種形勢(shì)下，PLC控制系統(tǒng)被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中，PLC控制系統(tǒng)可靠性的保證十分必要。文章主要就PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，先簡(jiǎn)介了影響系統(tǒng)可靠性的原因，之后對(duì)PLC系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)。

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

引言

PLC系統(tǒng)不會(huì)因一項(xiàng)問題，而導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)迫停，工作人員可利用系統(tǒng)這一具體特征，及時(shí)控制出現(xiàn)的問題，以此保障供電系統(tǒng)順利運(yùn)轉(zhuǎn)。也可適當(dāng)通過加載隔離性較好的設(shè)備或裝置，將問題隔離予以解決。而對(duì)于比較常見的錯(cuò)誤引號(hào)問題，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)管信號(hào)，并將信號(hào)控制在規(guī)范范圍內(nèi)。

1 PLC控制系統(tǒng)可靠性降低的原因

1.1現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)出錯(cuò)

PLC控制現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)出錯(cuò)的主要原因是設(shè)備故障，例如信號(hào)傳輸線、機(jī)械開關(guān)和機(jī)械觸點(diǎn)這三個(gè)零部件上容易出現(xiàn)問題。首先是信號(hào)傳輸線，在平時(shí)的操作中，傳輸信號(hào)線會(huì)出現(xiàn)經(jīng)常性的拉扯，長(zhǎng)此以往，信號(hào)線就有可能無(wú)法正常工作，同時(shí)在日常的維護(hù)中，如果沒有進(jìn)行定期的維護(hù)與更換，可能會(huì)出現(xiàn)傳輸線老化或者被老鼠等啃噬，造成傳輸線短路或斷路，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)無(wú)法通過傳輸信號(hào)線傳遞給PLC。其次機(jī)械開關(guān)和機(jī)械觸點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間操作出現(xiàn)磨損和損壞，不及時(shí)更換也會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)的準(zhǔn)確性。

1.2造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)出錯(cuò)的主要原因

首先因?yàn)榭刂谱冾l器自身出現(xiàn)故障?？刂谱冾l器的工作職能是根據(jù)PLC發(fā)出的指令進(jìn)行整個(gè)機(jī)器設(shè)備的頻率調(diào)整，如果控制變頻器出現(xiàn)故障，雖然收到了PLC發(fā)出的指令，但是自身卻沒辦法將指令發(fā)送出去，也就是說變頻器所帶的電動(dòng)機(jī)無(wú)法執(zhí)行工作，就會(huì)造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)出錯(cuò)?？刂曝?fù)載的接觸器如果出現(xiàn)故障，也會(huì)造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能按要求完成指令中規(guī)定的動(dòng)作。此外，其他的一些零部件也有可能使執(zhí)行機(jī)構(gòu)出錯(cuò)，例如電動(dòng)閥、電磁閥等。

2 PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

首先，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循質(zhì)量控制原則。所謂質(zhì)量控制原則，指的是應(yīng)當(dāng)使系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備元件質(zhì)量均能夠得到較好保證，對(duì)于相關(guān)設(shè)備元件應(yīng)當(dāng)正確進(jìn)行選擇及使用。這在提升整體控制系統(tǒng)可靠性方面屬于關(guān)鍵因素。在系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，若使用的相關(guān)設(shè)備元件不合理，必然會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮出較好的效果。所以，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)正確計(jì)算相關(guān)設(shè)備元件，較好地保證其安全性。要與電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境及條件相結(jié)合，選擇一些性能較穩(wěn)定、安全性較高的高質(zhì)量設(shè)備元件。

其次，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)原則。在PLC控制系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)在符合控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，盡可能對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，盡可能減少所使用的相關(guān)設(shè)備元件數(shù)量及品種，并統(tǒng)一所使用的元件，降低控制系統(tǒng)復(fù)雜性和故障率，有效節(jié)約成本。就系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況而言，所使用設(shè)備元件種類及數(shù)量越多，其系統(tǒng)故障發(fā)生的可能性越高，還會(huì)導(dǎo)致高的維修量。

最后，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)遵循安全性設(shè)計(jì)原則。在PLC控制系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)中，不但要完善相關(guān)常規(guī)保護(hù)環(huán)節(jié)，還應(yīng)保護(hù)感性負(fù)載輸出端子和獨(dú)立運(yùn)行繼電器，對(duì)相關(guān)運(yùn)行部件實(shí)行限位保護(hù)，在PLC系統(tǒng)有故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行急停保護(hù)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)積極完善相關(guān)方案，避免人員傷亡情況出現(xiàn)，減少設(shè)備損壞發(fā)生率，這在系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行方面屬于基本保障。

3 PLC控制系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計(jì)

3.1安裝設(shè)計(jì)

PLC系統(tǒng)要置于密閉環(huán)境內(nèi)，溫度控制在0～55℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度不能超過85%，能夠有效防止在溫濕度變化、灰塵等影響下，導(dǎo)致PLC模板內(nèi)部觸點(diǎn)發(fā)生結(jié)露、粘連等現(xiàn)象。同時(shí)將不同類型模板分開放置，能夠避免因電磁感應(yīng)引起信號(hào)失真問題。分別對(duì)PLC和I/O電源、控制部分、動(dòng)力部分進(jìn)行配線，并用有屏蔽層的隔離變壓器隔離PLC電源，具體如圖1所示。

3.2系統(tǒng)接地

系統(tǒng)屏蔽接地過程中，應(yīng)采取專用接地方法，接地線直徑應(yīng)小于2mm，接地電阻應(yīng)小于10Ω。工作地和屏蔽地分開，避免相互干擾，特別是要做好傳輸介質(zhì)與外部設(shè)備的屏蔽接地，和PLC系統(tǒng)使用相同的接地帶，若是受到位置因素的影響，還需要做好接地處理，其電阻也不能超過10Ω，避免工模干擾為系統(tǒng)帶來(lái)影響。

3.3輸入/輸出端子保護(hù)

在輸入/輸出端子設(shè)計(jì)速斷型限流保險(xiǎn)，與接觸器、電磁閥等感性負(fù)載線圈進(jìn)行連接，同時(shí)并聯(lián)浪涌抑制器或反向二極管，這樣能夠吸收浪涌電壓。

4 PLC控制系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計(jì)

4.1輸入/輸出信號(hào)可靠性設(shè)計(jì)

開關(guān)型傳感器信號(hào)“去抖動(dòng)”設(shè)計(jì)。將按鈕作為輸入信號(hào)，經(jīng)常引起抖動(dòng)，甚至產(chǎn)生瞬間跳動(dòng)的情況，引起系統(tǒng)誤動(dòng)。對(duì)此，需要進(jìn)行“去抖動(dòng)”設(shè)計(jì)，具體如圖2所示。根據(jù)觸電抖動(dòng)與系統(tǒng)響應(yīng)速度，將定時(shí)時(shí)間確定下來(lái)，讓觸點(diǎn)在穩(wěn)定斷開/閉合進(jìn)行執(zhí)行。

數(shù)字濾波。數(shù)字濾波是在多次對(duì)模擬信號(hào)采樣后，利用軟件算法將最接近真值的數(shù)據(jù)提取出來(lái)的過程。數(shù)字濾波算法很多，經(jīng)常用到的有中值法、比較舍取法和算術(shù)平均值法等。

4.2信息保護(hù)與恢復(fù)

在發(fā)生偶發(fā)性故障后，PLC內(nèi)部信息并不會(huì)受到影響，在故障條件消失后，可以迅速恢復(fù)，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。在PLC檢測(cè)到故障條件后，將當(dāng)前狀態(tài)存入存儲(chǔ)器中，軟件配合封閉存儲(chǔ)器，對(duì)存儲(chǔ)器中的操作進(jìn)行限制，防止將存儲(chǔ)器信息沖掉。如此一來(lái)，當(dāng)檢測(cè)到外界環(huán)境恢復(fù)正常后，能夠調(diào)整到故障出現(xiàn)前的狀態(tài)，之前的程序工作可以正常進(jìn)行。

4.3互鎖功能設(shè)計(jì)

很多時(shí)候系統(tǒng)功能表內(nèi)不會(huì)描述互鎖功能，為讓系統(tǒng)更加可靠，編程與硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮，同時(shí)加強(qiáng)配合。對(duì)PLC內(nèi)部邏輯互鎖而言，當(dāng)外電路出現(xiàn)故障后將不再發(fā)揮作用，常見的有電動(dòng)機(jī)正/反轉(zhuǎn)接觸器互鎖，不能只依靠在梯形圖中設(shè)置軟件，這是由于當(dāng)接觸器主觸點(diǎn)“燒死”造成線圈斷電后，大功率電動(dòng)機(jī)的主電路不會(huì)出現(xiàn)斷開的情況。此時(shí)PLC輸出繼電器已經(jīng)斷電，常閉觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，如果有反轉(zhuǎn)控制指令，反轉(zhuǎn)接觸器將有電流通過，引起三相電源短路故障。為解決這個(gè)問題，在對(duì)方線圈控制回路中相互串接兩個(gè)接觸器的常閉輔助觸點(diǎn)，從而有效發(fā)揮保護(hù)功能。

結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代社會(huì)實(shí)際生產(chǎn)過程中，PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在PLC控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用過程中，為充分發(fā)揮其作用，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，從而較好地保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)清楚影響系統(tǒng)可靠性的因素，準(zhǔn)確把握其設(shè)計(jì)原則，合理設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)可靠性。

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