1、关于 PLC控制系统可靠性的研究 【摘要】可编程控制器（ PLC）作为新一代的工业控制装置，在工业领域得到了广泛应用。因此，分析影响 PLC控制系统可靠性的因素，研究其解决措施，对于提高 PLC控制系统可靠性具有重要的作用，对于 PLC的进一步推广应用也具有普遍意义。 下载 【关键词】 PLC；可靠性；控制系统 一、可编程控制器的发展概况 可编程控制器最早出现在美国， 1968 年，美国的通用汽车公司（ GM）提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备的十大条件，条件提出后，立即引起了开发热潮。 1969 年，美国数字设备公司（ DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制
2、器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器（ PLC），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到 20世纪 70年代中期以后，特别是进入 20 世纪 80 年代以来， PLC 已广泛 地使用 16 位甚至 32 位微处理器作为中央处理器。输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使 PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的 PLC 已不仅仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、 PID 调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器更为合适。 PLC 是微机
3、技术与传统的继电器 -接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。对用户来说，可编程控制器是 一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工业自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。因此， PLC 控制系
4、统的可靠性将直接影响到工业生产的效率与安全，探讨提高 PLC控制系统可靠性的方法具有十分重要的意义。 二、影响 PLC 控制系统可 靠性的主要因素 PLC 的可靠性问题实际上是一个十分复杂的系统工程问题。它涉及系统的设计、测试检验、分析试验、安装运行等诸多方面的问题。虽然 PLC本身具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但是在过于恶劣的环境条件下（如过强的电磁场、超高温、超低压等），或安装使用不当（如电源、布线、接地等）及保护程序有问题（如冗余及容错程序考虑不周到），都可能引起 PLC内部信息的破坏，从而降低 PLC控制系统的可靠性。影响现场输入给 PLC 信号出错的主要原因有：（ 1）由
5、于机械拉扯，线路自身老化等原因造成传输信号线短路 或断路，现场信号无法传送给 PLC，造成控制出错；（ 2）机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次， PLC 却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于 PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果；（ 3）现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。影响执行机构出错的主要原因有：（ 1）控制负载的接触不能可靠动作，虽然 PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；（ 2）各种电动阀、电 磁阀该开的没能打开
6、，该关的没能关到位，由于执行机构没能按 PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则 PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。 三、输入信号可靠性研究 要提高现场输入给 PLC 信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号 的可信性。由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接到 PLC输入接口电路上，为防止由于触点拌动或干
7、扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有：（ 1）利用光耦合器提高抗干扰能力。光耦合器的工作原理是：发光二极管有驱动电流流过时，导通发光，光敏三极管接到光线，由截止变为导通，将输入信号送入 PLC内部。光耦合器中的发光二极管是电流驱动元件，要有足够的能量才能驱动。而干扰信号虽然有的电压值很高，但能量较小，不能使发光二极管导通发光，所以不能进 入 PLC 内，这样则实现了电隔离。（ 2）利用滤波电路提高抗干扰能力。最常用的滤波电路是电阻电容滤波。（ 3）提高读入 PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号
8、的可信程度。如进行液位控制，由于储罐的尺寸是已知的，进液或出液的阀门开度和压力是已知的，在一定时间里罐内液体变化高度大约在什么范围是知道的，如果这时液位计送给 PLC的数据和估算液位高度相差较大，判断可能是液位计故障，通过故障报警系统通知操作人员检查该液位计。又如各储罐有上下液位极限保护，当开关动作时发出信号给 PLC，这个信号 是否真实可靠，在程序设计时我们将这信号和该罐液位计信号对比，如果液位计读数也在极限位置，说明该信号是真实的；如果液位计读数不在极限位置，判断可能是液位极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入
9、信号的可靠。（ 4）在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十 ms，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其他响应。对现场模拟信号连续采样 3次，采样间隔由 A/D 转换速度和该模拟信号变化速率决定。 3 次采样数据 分别存放在三个数据寄存器中，当最后 1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令、数据段比较指令去掉最大和最小值，保留中间值作为本次采样结果存放在另一个数据寄存器中。 四、输出接口电路 根据驱动负载元件的不同可将输出接口电路分为 3 种：（ 1）小型继电器输出形式。这种输出形式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。它的优点是适用电压范围宽，导通
10、压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强。缺点是动作速度较慢，动作次数（寿命）有一定的限制。建议在输出量变化不频繁时优先选用。（ 2）大功率晶体管或场效管输出形式。 这种输出形式只可驱动直流负载。它的优点是可靠性强，执行速度快，寿命长。缺点是过载能力差。适合在直流供电，输出量变化快的场合使用。（ 3）双向晶闸管输出形式。这种输出形式适合驱动交流负载。由于双向晶闸管和大功率晶体管同属于半导体材料元件，所以优缺点与大功率晶体管或场效管应管输出形式的相似，适合在交流供电、输出量变化快的场合选用。 五、关于 I/O 电路常见问题的解决办法 1. 用三极管等有源元件作为无触点开关的输出设备，与 PLC输入
11、单元连接时，由于三极管自身有漏电流存在，或者电路不能保证三极管可 靠截止而处于放大状态，使得即使在截止时，仍会有一个小的漏电流流过，当该电流值大于 1.3mA时，就可能引起 PLC输入电路发生误动作。解决办法是可在 PLC 输入端并联一个旁路电阻来分流，使流入 PLC 的电流小于 1.3mA。 2. 应在输出回路串联熔丝，避免负载电流过大，损坏输出元件或电路板。 3. 由于晶体管、双向晶闸管型输出端子漏电流和残余电压的存在，当驱动不同类型的负载时，需要考虑电平匹配和误动作等问题。 4. 感性负载断电时会产生很高的反电势，对输出单元电路产生冲击，对于大电感 或频繁关断的感性负载应使用外部抑制电路
12、，一般采用阻容吸收电路或二极管吸收电路。 六、执行机构可靠性研究 当现场的信号准确地输入给 PLC 后， PLC 执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时 检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给 PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。还要设计完善的故障报警系统在自动控制
13、系统的设计中我们设计了 3 级故障显示报警系统， 1 级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以 1Hz的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位 /灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮 3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮 复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。 2 级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。 3 级故障显示设置在
14、中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。 七、结语 在 PLC 控制系统中，只有综合考虑影响 PLC 可靠性的各方面因素，在设计中采取有效的措施，才能使控制系统可靠、高效、稳定地运行。另外，对于不同的 PLC控制系统，还要根据具体情况进行具体分析，才能获得最佳效果。 【参考文献】 田淑珍可编程控制器原理及应用 M北京：机械工业出版社， 2005 刘美俊提高 PLC 控制系统可靠性的措施 J电工技术杂志， 2001，（ 1） 陆秀令提高 PLC 控制系统可靠性的措施 J机电工程技术， 2004，（ 1） 【作者简介】 田若秋（ 1973- ），女（达斡尔族），辽宁丹东人，辽宁地质工程职业学院讲师，北方工业大学控制工程在读硕士，研究方向：工业电气自动化；柳忠平（ 1972- ），男，辽宁丹东人，辽宁地质工程职业学院助讲，研究方向：计算机科学；李德扬（ 1976- ），男，辽宁丹东人，辽宁地质工程职业学院讲师，北方工业大学控制工程在读硕士，研究方向：检测技术及仪器仪表。
