PLC控制系統(tǒng)可靠性的分析與研究

齊亞洲

摘要：可編程控制器（PLC）作為新一代的工業(yè)控制裝置，因其本身具有高可靠性、較強(qiáng)的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性以及編程簡單、操作方便等特性，而在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.但隨著PLC應(yīng)用場合越來越廣、應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，所受到的干擾也越來越多，這些都可能造成PLC控制系統(tǒng)可靠性降低，不能正常工作.因此，分析影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的因素，研究其解決措施，對于提高PLC控制系統(tǒng)可靠性具有重要的作用，對于PLC的進(jìn)一步推廣應(yīng)用也具有普遍意義.

關(guān)鍵詞：PLC；可靠性；控制系統(tǒng)

一、可編程控制器的發(fā)展概況

可編程控制器最早出現(xiàn)在美國，1968年，美國的通用汽車公司（GM）提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶角度提出新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，條件提出后，立即引起了開發(fā)熱潮。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是微處理器和微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，到20世紀(jì)70年代中期以后，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，PLC已廣泛地使用16位甚至32位微處理器作為中央處理器。這時的PLC已不僅僅具有邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能，稱之為可編程序控制器更為合適。

綜合可編程控制器的特點，自問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工業(yè)自動化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的應(yīng)用。因此，PLC控制系統(tǒng)的可靠性將直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的效率與安全，探討提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的方法具有十分重要的意義。

二、影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素

PLC的可靠性問題實際上是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。它涉及系統(tǒng)的設(shè)計、測試檢驗、分析試驗、安裝運行等諸多方面的問題。雖然PLC本身具有很高的可靠性，并且有很強(qiáng)的抗干擾能力，但是在過于惡劣的環(huán)境條件下，或安裝使用不當(dāng)及保護(hù)程序有問題，都可能引起PLC內(nèi)部信息的破壞，從而降低PLC控制系統(tǒng)的可靠性。

影響現(xiàn)場輸入給PLC信號出錯的主要原因有：

（1）由于機(jī)械拉扯，線路自身老化等原因造成傳輸信號線短路或斷路，現(xiàn)場信號無法傳送給PLC，造成控制出錯；

（2）機(jī)械觸點抖動，現(xiàn)場觸點雖然只閉合一次，PLC卻認(rèn)為閉合了多次，雖然硬件加了濾波電路，軟件增加微分指令，但由于PLC掃描周期太短，仍可能在計數(shù)、累加、移位等指令中出錯，出現(xiàn)錯誤控制結(jié)果；

（3）現(xiàn)場變送器，機(jī)械開關(guān)自身出故障，如觸點接觸不良，變送器反映現(xiàn)場非電量偏差較大或不能正常工作等，這些故障同樣會使控制系統(tǒng)不能正常工作。

影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)出錯的主要原因有：

（1）控制負(fù)載的接觸不能可靠動作，雖然PLC發(fā)出了動作指令，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)并沒按要求動作；

（2）各種電動閥、電磁閥該開的沒能打開，該關(guān)的沒能關(guān)到位，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒能按PLC的控制要求動作，使系統(tǒng)無法正常工作，降低了系統(tǒng)可靠性。

要提高整個控制系統(tǒng)的可靠性，必須提高輸入信號的可靠性和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的準(zhǔn)確性，否則PLC應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)問題，用聲光等報警辦法提示給操作人員，盡快排除故障，讓系統(tǒng)安全、可靠、正確地工作。

三、輸入信號可靠性研究

要提高現(xiàn)場輸入給PLC信號的可靠性，首先要選擇可靠性較高的變送器和各種開關(guān)，防止各種原因引起傳送信號線短路、斷路或接觸不良。其次在程序設(shè)計時增加數(shù)字濾波程序，增加輸入信號的可信性。由于生產(chǎn)過程中使用的各種開關(guān)、按鈕、傳感器等輸入器件直接接到PLC輸入接口電路上，為防止由于觸點拌動或干擾脈沖引起錯誤的輸入信號，輸入接口電路必須有很強(qiáng)的抗干擾能力。輸入接口電路提高抗干擾能力的方法主要有：（1）利用光耦合器提高抗干擾能力。光耦合器的工作原理是：發(fā)光二極管有驅(qū)動電流流過時，導(dǎo)通發(fā)光，光敏三極管接到光線，由截止變?yōu)閷?dǎo)通，將輸入信號送入PLC內(nèi)部。光耦合器中的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動元件，要有足夠的能量才能驅(qū)動。而干擾信號雖然有的電壓值很高，但能量較小，不能使發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，所以不能進(jìn)入PLC內(nèi)，這樣則實現(xiàn)了電隔離。（2）利用濾波電路提高抗干擾能力。最常用的濾波電路是電阻電容濾波。（3）提高讀入PLC現(xiàn)場信號的可靠性還可利用控制系統(tǒng)自身特點，利用信號之間關(guān)系來判斷信號的可信程度。如進(jìn)行液位控制，由于儲罐的尺寸是已知的，進(jìn)液或出液的閥門開度和壓力是已知的，在一定時間里罐內(nèi)液體變化高度大約在什么范圍是知道的，如果這時液位計送給PLC的數(shù)據(jù)和估算液位高度相差較大，判斷可能是液位計故障，通過故障報警系統(tǒng)通知操作人員檢查該液位計。又如各儲罐有上下液位極限保護(hù)，當(dāng)開關(guān)動作時發(fā)出信號給PLC，這個信號是否真實可靠，在程序設(shè)計時我們將這信號和該罐液位計信號對比，如果液位計讀數(shù)也在極限位置，說明該信號是真實的；如果液位計讀數(shù)不在極限位置，判斷可能是液位極限開關(guān)故障或傳送信號線路故障，同樣通過報警系統(tǒng)通知操作人員處理該故障。由于在程序設(shè)計時采用了上述方法，大大提高了輸入信號的可靠。（4）在現(xiàn)場輸入觸點后加一定時器，定時時間根據(jù)觸點抖動情況和系統(tǒng)要的響應(yīng)速度確定，一般在幾十ms，這樣可保證觸點確實穩(wěn)定閉合后，才有其它響應(yīng)。對現(xiàn)場模擬信號連續(xù)采樣3次，采樣間隔由A/D轉(zhuǎn)換速度和該模擬信號變化速率決定。3次采樣數(shù)據(jù)分別存放在三個數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)最后1次采樣結(jié)束后利用數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)交換指令、數(shù)據(jù)段比較指令去掉最大和最小值，保留中間值作

四、輸出接口電路

根據(jù)驅(qū)動負(fù)載元件的不同可將輸出接口電路分為3種：（1）小型繼電器輸出形式。這種輸出形式既可驅(qū)動交流負(fù)載，又可驅(qū)動直流負(fù)載。（2）大功率晶體管或場效管輸出形式。這種輸出形式只可驅(qū)動直流負(fù)載。它的優(yōu)點是可靠性強(qiáng)，執(zhí)行速度快，壽命長。缺點是過載能力差。適合在直流供電，輸出量變化快的場合使用。（3）雙向晶閘管輸出形式。這種輸出形式適合驅(qū)動交流負(fù)載。由于雙向晶閘管和大功率晶體管同屬于半導(dǎo)體材料元件，所以優(yōu)缺點與大功率晶體管或場效管應(yīng)管輸出形式的相似，適合在交流供電、輸出量變化快的場合選用。

五、執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性研究

當(dāng)現(xiàn)場的信號準(zhǔn)確地輸入給PLC后，PLC執(zhí)行程序，將結(jié)果通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對現(xiàn)場裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。怎樣保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)按控制要求工作，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有按要求工作，怎樣發(fā)現(xiàn)故障？主要采取以下措施：當(dāng)負(fù)載由接觸器控制時，啟動或停止這類負(fù)載轉(zhuǎn)為對接觸器線圈控制，啟動時接觸器是否可靠吸合，停止時接觸器是否可靠釋放，這是我們關(guān)心的。當(dāng)開啟或關(guān)閉電動閥門時，根據(jù)閥門開啟、關(guān)閉時間不同，設(shè)置延時時間，經(jīng)過延時檢測開到位或關(guān)到位信號，如果這些信號不能按時準(zhǔn)確返回給PLC，說明閥可能有故障，做閥故障報警處理。還要設(shè)計完善的故障報警系統(tǒng)在自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中我們設(shè)計了3級故障顯示報警系統(tǒng)。

六、結(jié)語

在PLC控制系統(tǒng)中，只有綜合考慮影響PLC可靠性的各方面因素，在設(shè)計中采取有效的措施，才能使控制系統(tǒng)可靠、高效、穩(wěn)定地運行。另外，對于不同的PLC控制系統(tǒng)，還要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析，才能獲得最佳效果。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：北京航天益來電子科技有限公司）