可編程邏輯控制器的可靠性分析

劉雙玖

[摘 ? ?要]在現(xiàn)代工業(yè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，可編程邏輯控制器（PLC）已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化，并已成為工業(yè)自動(dòng)化的重要支柱。PLC系統(tǒng)不僅為現(xiàn)場儀表、電氣設(shè)備及下屬控制系統(tǒng)提供有效的集成、控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，還為上級(jí)管控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，這對(duì)提高企業(yè)的生產(chǎn)率和產(chǎn)品的國際競爭力具有重要作用。因此，維護(hù)PLC系統(tǒng)并確保其穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。文章從PLC使用環(huán)境改善入手，如硬件配置、軟件編制等，分析了影響PLC控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的溫度、濕度、電源系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、接地系統(tǒng)、PLC的輸入/輸出接線、電纜橋架的鋪設(shè)、控制室內(nèi)布置等各種外部因素，同時(shí)給出了相應(yīng)的解決方案。并根據(jù)實(shí)際使用情況和經(jīng)驗(yàn)，分析了PLC本身的網(wǎng)絡(luò)配置、模塊配置、軟件配置、畫面配置等內(nèi)部因素對(duì)PLC穩(wěn)定運(yùn)行的影響，提出了相應(yīng)的合理化配置建議。

[關(guān)鍵詞]PLC;可靠性;通訊網(wǎng)絡(luò);組態(tài);控制系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]TM921.5;TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）05–00–03

Reliability Analysis of Programmable Logic Controller

Liu ?Shuang-jiu

[Abstract]In the field of modern industrial science and technology， programmable logic controller （PLC） has been widely used in industrial automation and has become an important pillar of industrial automation. PLC system not only provides effective integration， control and data storage for field instruments， electrical equipment and subordinate control systems， but also provides a stable data acquisition platform for superior control systems， It plays an important role in improving the productivity of enterprises and the international competitiveness of products. Therefore， it is very important to maintain the PLC system and ensure its stable operation.This paper starts from improving the use environment of PLC; From the aspects of hardware configuration and software programming， this paper analyzes various external factors affecting the normal operation of PLC control system， such as temperature， humidity， power supply system， lightning protection system， grounding system， input / output wiring of PLC， laying of cable bridge， layout of control room and so on， and gives the corresponding solutions. According to the actual use and experience， the influence of internal factors such as network configuration， module configuration， software configuration and picture configuration of PLC on the stable operation of PLC is analyzed， and the corresponding reasonable configuration suggestions are given.

[Keywords]PLC; reliability; communication network; configuration; control system

可編程邏輯控制器（PLC）是以微型計(jì)算機(jī)為核心，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、CRT顯示技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，與傳統(tǒng)的繼電器相比較，控制系統(tǒng)在系統(tǒng)化、多樣化、分散化等方面取得了很大進(jìn)步。由于控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理念取代了傳統(tǒng)儀器的控制方法，因此，控制系統(tǒng)的可靠性得到了極大提高。PLC高性能的CPU處理能力比傳統(tǒng)自動(dòng)儀表功能強(qiáng)大得多。由于通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)的出現(xiàn)，為控制系統(tǒng)配置資源共享和集中管理以及人機(jī)聯(lián)系等帶來了便利。在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用成為可能，極大地促進(jìn)了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。

PLC最早是在發(fā)達(dá)國家出現(xiàn)，如歐美、日本，其應(yīng)用范圍也逐漸廣泛，如石油、電力、冶金等領(lǐng)域。

PLC不僅具有控制功能，還能具有網(wǎng)絡(luò)信息交換功能，尤其是在我國控制技術(shù)快速發(fā)展背景下，其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了大幅提升，如今我國PLC控制技術(shù)傳播速度更快，性能更加穩(wěn)定，能與其他控制系統(tǒng)相互結(jié)合，形成運(yùn)行整體，為管控一體化發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

PLC隨著受控對(duì)象的運(yùn)行而運(yùn)行。在大中型企業(yè)中，生產(chǎn)車間在正常情況下要求連續(xù)運(yùn)行，PLC也需要安全及可靠的運(yùn)行，因此保持PLC控制系統(tǒng)的健康運(yùn)行非常重要。

1 影響PLC穩(wěn)定性的外部因素及措施

1.1 溫度

經(jīng)過多年的探索和運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)PLC在20～28 ℃運(yùn)行較為穩(wěn)定。為保證PLC作業(yè)的穩(wěn)定性，工作人員需要根據(jù)作業(yè)區(qū)域大小和散熱量安裝相應(yīng)設(shè)施（如空調(diào)），對(duì)溫度環(huán)境嚴(yán)格控制，將各房間溫度控制到合理范圍之內(nèi)，如機(jī)柜間、操作員站、配電室等。而在南方陽光直射的區(qū)域，工作人員還需要安裝其他防護(hù)設(shè)施，如雙層門窗，加厚窗簾門簾等，確保室內(nèi)環(huán)境保持恒定溫度，讓室內(nèi)溫度控制在23～27℃。

1.2 濕度

PLC在運(yùn)行過程中不僅會(huì)受到溫度影響，還會(huì)受到空氣濕度影響。

只要在室內(nèi)安裝空調(diào)和濕度計(jì)，濕度問題就很容易解決?？照{(diào)不僅保證了房間的溫度，還保證了干濕度，濕度計(jì)將顯示房間的濕度。如果濕度計(jì)顯示濕度低于房間的要求，在房間角落和遠(yuǎn)離控制設(shè)備的地方放置一個(gè)加濕裝置;如果濕度計(jì)顯示濕度高于房間要求，則在角落和遠(yuǎn)離控制設(shè)備的地方放置一些干燥劑。其控制標(biāo)準(zhǔn)要求見表1。

2 影響PLC穩(wěn)定的系統(tǒng)硬件因素及措施

2.1 PLC電源系統(tǒng)

PLC投產(chǎn)后，需要按生產(chǎn)要求連續(xù)運(yùn)行。UPS在正常電源故障時(shí)為PLC供電。UPS的額定功率和相應(yīng)的電池組數(shù)量必須根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)PLC的各種元器件的功耗負(fù)載總和來確定。UPS最好不要供給其他用電設(shè)備，如現(xiàn)場儀表電源、照明電源等。一般情況下，UPS電源應(yīng)配備單獨(dú)的電源柜，電源柜內(nèi)設(shè)隔離變壓器和穩(wěn)壓器，保證PLC電源的電能質(zhì)量，這樣也可以在一定程度上確保PLC和現(xiàn)場設(shè)備的供電相對(duì)獨(dú)立。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生故障或雷電產(chǎn)生短時(shí)峰值電流或過電壓時(shí)，不會(huì)影響PLC的正常運(yùn)行。

2.2 PLC防雷系統(tǒng)

瞬時(shí)雷電波侵入PLC系統(tǒng)，也稱為電涌，是一種超過正常電壓的瞬時(shí)過電壓。從脈沖波形上講，電涌是以毫秒為單位的劇烈電磁脈沖。當(dāng)雷擊時(shí)，建筑物防雷系統(tǒng)不能完全有效地排除雷電波侵入PLC系統(tǒng)，此時(shí)，PLC電源前端需要增加浪涌保護(hù)器，它能有效吸收突發(fā)能量，避免雷電對(duì)控制系統(tǒng)的破壞。

浪涌保護(hù)器一般配置在電源柜內(nèi)，并聯(lián)接到三相電源上，如果電流或電壓超過門限值，浪涌保護(hù)器導(dǎo)通，將過電流或過電壓引入大地，從而避免了控制系統(tǒng)遭到雷電過電壓的破壞。

2.3 PLC的輸入/輸出配置

數(shù)字量輸入/輸出模塊的電壓等級(jí)可根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備與模塊之間的距離來選擇，當(dāng)外部線路較長時(shí)，可選用AC或DC220V/110V模塊，當(dāng)外部線路較短，且控制設(shè)備相對(duì)集中時(shí)，可選用DC24V/48V模塊。數(shù)字量輸入模塊選擇時(shí)，應(yīng)考慮其門檻電平的大小，門檻電平值越大，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸?shù)木嚯x就越遠(yuǎn)。對(duì)于開閉頻繁、電感性、低功率因數(shù)的負(fù)載，宜選用晶閘管元件的輸出模塊;對(duì)于開閉不頻繁的電阻性負(fù)載，宜選用繼電器輸出模塊。

2.4 電纜敷設(shè)

在進(jìn)行電纜敷設(shè)時(shí)，電源電纜、動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜最好分別從控制室的兩個(gè)不同路徑進(jìn)線;直流信號(hào)線、交流信號(hào)線和模擬信號(hào)線不要共用一根電纜。當(dāng)信號(hào)電纜和電源電纜平行敷設(shè)時(shí)，最小應(yīng)保持300mm的距離;當(dāng)采用電纜橋架敷設(shè)時(shí)，宜分別敷設(shè)在不同層的橋架中，電源電纜宜敷設(shè)在低壓動(dòng)力橋架層中，信號(hào)電纜宜敷設(shè)在控制橋架層中;如果信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜需要在同一層電纜橋架上敷設(shè)時(shí)，需要用金屬隔板將它們隔開，且金屬隔板應(yīng)可靠接地。

高電平電纜和低電平電纜最好不要在同一端子排上轉(zhuǎn)接。必須使用同一端子排時(shí)，要進(jìn)行合理的安排。一般原則是：把備用端子和接地端子放在端子排的中間，兩邊分別放高電平電纜的端子和低電平電纜的端子。

使用屏蔽電纜時(shí)，在屏蔽電纜的兩接線端處，屏蔽層要盡可能多地遮蓋電纜芯數(shù)，因?yàn)殡娎|芯數(shù)露在屏蔽層外面的部分越長，感應(yīng)外界干擾的部位就越大。

2.5 PLC接地系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)應(yīng)有穩(wěn)定、可靠的接地。PLC系統(tǒng)的保護(hù)性接地和功能性接地宜共用一組接地裝置，為防止相互干擾，保護(hù)性接地和功能性接地的引下線應(yīng)分別引至不同的接地極，其共用接地電阻不大于1歐姆。

控制電纜的屏蔽層應(yīng)可靠接地。PLC系統(tǒng)的模擬信號(hào)回路控制電纜屏蔽層，不得構(gòu)成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，應(yīng)集中一點(diǎn)接地。對(duì)于雙層屏蔽電纜，內(nèi)屏蔽應(yīng)一端接地，外屏蔽應(yīng)兩端接地。兩點(diǎn)接地的屏蔽電纜宜采取相關(guān)措施，防止在暫態(tài)電流作用下屏蔽層被燒壞。

對(duì)于低頻、低電平模擬信號(hào)的電纜，如熱電偶用電纜，屏蔽層應(yīng)在最不平衡端或電路本身接地處一點(diǎn)接地。

3 合理配置硬件提高PLC的可靠性

3.1 PLC網(wǎng)絡(luò)配置

交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間中起到一個(gè)重要的連接作用，PC網(wǎng)絡(luò)配置也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，應(yīng)該將PC與控制站之間，連接光學(xué)終端等相應(yīng)的設(shè)備，還要布置控制室內(nèi)網(wǎng)線，網(wǎng)線的材質(zhì)一般是同軸電纜，距離較遠(yuǎn)的室外采用光纖光纜。合理的網(wǎng)絡(luò)配置可以減少網(wǎng)絡(luò)線路數(shù)量，避免過多的接頭，減少隱患，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

而在獨(dú)立的生產(chǎn)區(qū)域可以使用獨(dú)立控制站進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，控制站可以將各類網(wǎng)絡(luò)匯總，將其傳輸?shù)街锌厥摇＿@樣，整個(gè)工廠各個(gè)工藝流程相互獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾，通過控制網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)，將極大減少電纜用量，整個(gè)工廠整潔干凈，優(yōu)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，降低中間環(huán)節(jié)，并為控制系統(tǒng)的檢修和運(yùn)行維護(hù)帶來方便，同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

3.2 PLC模塊配置

在處理器配置輸入輸出模塊時(shí)需要根據(jù)處理器實(shí)際情況合理配置，一般情況，模塊總的控制點(diǎn)建議不要超過CPU控制點(diǎn)的60%。這樣，CPU的運(yùn)作更加順暢，不出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。出現(xiàn)這樣的情況，模塊就可以起到安裝作用，在處理器相同的控制柜中進(jìn)行模塊的安裝，除此之外，還需要安裝信號(hào)隔離器等，將這些設(shè)備集中安裝在一個(gè)機(jī)柜中或者多個(gè)機(jī)柜中，如果安裝在多個(gè)機(jī)柜中，應(yīng)該將機(jī)柜與機(jī)柜之間并聯(lián)放置。機(jī)柜與機(jī)柜之間可以將隔離板取消，這樣能夠方便機(jī)柜之間進(jìn)電源的連接，為機(jī)柜之間接線工作創(chuàng)造便利條件，除了機(jī)柜之間需要并聯(lián)放置以外，電源柜與配電柜之間也需要采用這種方式進(jìn)行安裝，其最主要的工作就是控制好距離，保證其距離大于2m，需要注意，在安裝電器MCC柜和變頻柜時(shí)需要做好位置控制工作，不能將其與PLC放置在同一區(qū)域。最好單獨(dú)設(shè)置MCC室，以避免強(qiáng)電設(shè)備干擾PLC的正常運(yùn)行，從而提高控制系統(tǒng)的可靠性。

在調(diào)試完成之后，就需要工作人員進(jìn)行工作的開展，開展區(qū)域主要在操作室，因此操作室內(nèi)需要具有滿足開展工作的設(shè)施，比如打印機(jī)等常用設(shè)備，這些設(shè)備能夠滿足工人的日常工作，并且還要有控制系統(tǒng)方便對(duì)其進(jìn)行控制，這就需要用到大屏幕等。由于操作室的重要性，因此建議能夠保障工作室的衛(wèi)生情況，讓工作人員有一個(gè)良好的操作環(huán)境，工作室內(nèi)經(jīng)常會(huì)配備很多設(shè)施，會(huì)涉及到布線問題，因此就要在地板上做隔音處理，除此之外為了保證操作室工作環(huán)境舒適，需要配備空調(diào)，以及干濕度調(diào)節(jié)設(shè)備等。為了方便工作人員監(jiān)管各個(gè)機(jī)柜的運(yùn)行狀況，采用玻璃材料將其隔開。

4 提高軟件的合理配置提高PLC的可靠性

為了提高軟件的合理配置，主要是上位機(jī)畫面設(shè)置合理，根據(jù)車間裝配線合理配置畫面。一般情況下，主畫面是PLC控制的整個(gè)車間工藝流程圖，然后通過按鈕切換來獲取每個(gè)子畫面。在子屏幕上使用不同顏色的提示燈顯示設(shè)備的不同狀態(tài)。最好使用動(dòng)畫來顯示各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和整個(gè)生產(chǎn)過程。

軟件配置時(shí)，應(yīng)根據(jù)控制點(diǎn)的性質(zhì)（模擬輸入和輸出、數(shù)字輸入和輸出）對(duì)相同或類似的設(shè)備進(jìn)行分類，或根據(jù)生產(chǎn)工藝線進(jìn)行配置。這樣，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警或參數(shù)被修改，操作人員就可以盡快找到軟件故障。

工程師站主要由專業(yè)技術(shù)人員操作，一般僅在調(diào)試期間使用。調(diào)試后，需要使用密碼鎖定計(jì)算機(jī)，避免無關(guān)人員進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)其程序產(chǎn)生破壞，操作站主要是用于監(jiān)控和設(shè)備操作，班組人員需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中各類數(shù)據(jù)充分收集，如果在監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)故障則需要及時(shí)制定修改方案并制成報(bào)表，為后續(xù)工作人員提供數(shù)據(jù)支撐，讓后續(xù)工作人員能了解到車間的具體生產(chǎn)情況，讓維修人員能對(duì)軟件運(yùn)行情況充分掌握。

編程調(diào)試人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)配置情況，編制調(diào)試記錄和操作手冊，并組織車間員工培訓(xùn)等，保證調(diào)試人員離開以后，車間工作人員仍可以根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)過程中故障進(jìn)行查閱，將其影響范圍有效控制，降低故障出現(xiàn)的概率。軟件供應(yīng)商還需要定期升級(jí)軟件，始終保持軟件的先進(jìn)性和可操作性。

5 結(jié)束語

PLC具有較為明顯的特性，如調(diào)整靈活、保護(hù)功能強(qiáng)大等，尤其是在數(shù)據(jù)處理方面。當(dāng)然，PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性是保證各生產(chǎn)活動(dòng)有序發(fā)展的重要基礎(chǔ)。本文從使用環(huán)境、硬件配置、網(wǎng)絡(luò)、軟件編寫等方面進(jìn)行深入分析，并提出了相應(yīng)提升措施，期望對(duì)今后電氣設(shè)計(jì)人員以及生產(chǎn)企業(yè)解決PLC可靠性問題有一定的借鑒作用。

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