PLC控制系統(tǒng)可靠性研究

（黑龍江技師學(xué)院，黑龍江 雞西 158100）

引言

由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的裝置，PLC控制系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，由PLC組成的控制系統(tǒng)往往在應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生一些可靠性方面的問題。如干擾特別強(qiáng)烈,可能使PLC引起錯(cuò)誤的輸入信號(hào)，因此為提高控制系統(tǒng)的可靠性,在設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)有效的抗干擾措施是非常必要的。

1 PLC控制系統(tǒng)可靠性因素分析

PLC可靠性研究思路：描述的通信模型可推出如圖1所示的低壓PLC通信模型。

2 提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的方法

2.1 輸出輸入配線注意的問題

抑制電路斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧對(duì)PLC的影響。電阻可以取51-120歐,電容的額定電壓應(yīng)大于電源峰值電壓。電容可以取0.1-0.47uF,續(xù)流二極管可以選1A的管子,其額定電壓應(yīng)大于電源電壓的3倍。要提高現(xiàn)場(chǎng)輸入PLC信號(hào)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(hào)線短路、斷路或接觸不良。其次在程序設(shè)計(jì)時(shí)增加數(shù)字濾波程序,增加輸入信號(hào)的可靠性。在現(xiàn)場(chǎng)輸入觸點(diǎn)后加一定時(shí)器,定時(shí)時(shí)間根據(jù)觸點(diǎn)抖動(dòng)情況和系統(tǒng)所需要的響應(yīng)速度確定,一般在幾十毫秒,這樣可保證觸點(diǎn)確實(shí)穩(wěn)定閉合后,才有其它響應(yīng)。模擬信號(hào)濾波可采用程序設(shè)計(jì)方法,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)連續(xù)采用3次,采樣間隔由A/D轉(zhuǎn)換速度和該模擬信號(hào)變化速率決定。

3次采樣數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)交換指令、數(shù)據(jù)段比較指令去掉其最大值最小值,保留中間值作為本次采樣結(jié)果存放在數(shù)據(jù)寄存器中,提高讀入PLC現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的可靠性還可以利用控制系統(tǒng)自身特點(diǎn),利用信號(hào)之間關(guān)系來判斷信號(hào)的可信程度。如進(jìn)行液位控制,由于儲(chǔ)罐的尺寸為已知,進(jìn)液和出液的閥門開度和壓力是事先給定,在一定時(shí)間內(nèi)罐內(nèi)液體變化高度大約在什么范圍是知道的,如果這時(shí)液位計(jì)送給PLC的數(shù)據(jù)和估算液位高度相差較大,則可判斷為液位計(jì)故障,通過故障報(bào)警系統(tǒng)通知操作人員檢查該液位計(jì)。又如各儲(chǔ)罐有上下液位極限保護(hù),當(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)發(fā)出信號(hào)給PLC,這個(gè)信號(hào)是否真實(shí)可靠,在程序設(shè)計(jì)時(shí)我們將此信號(hào)和該罐液位計(jì)信號(hào)對(duì)比,如果液位計(jì)讀數(shù)也在極限位置,說明該信號(hào)是真實(shí)的;如果液位計(jì)讀數(shù)不在極限位置,則可判斷為液位極限開關(guān)故障或傳送信號(hào)線路故障,同樣通過報(bào)警系統(tǒng)通知操作人員處理該故障。由于在程序設(shè)計(jì)時(shí),采用了上述方法,大大提高了輸入信號(hào)的可靠性。

2.2 用軟硬件互鎖解決誤發(fā)訊及誤動(dòng)作

在PLC的輸出裝置中,有的執(zhí)行元件如電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、機(jī)械零件的前進(jìn)和后退等 ，有兩個(gè)動(dòng)作。連鎖分動(dòng)作優(yōu)先和輸入信號(hào)優(yōu)先。動(dòng)作優(yōu)先指先進(jìn)入信號(hào)優(yōu)先,后進(jìn)入信號(hào)從前輸出信號(hào)OFF有效,其梯形圖如圖2所示。

輸入信號(hào)優(yōu)先指：先進(jìn)入信號(hào)輸出ON后進(jìn)入信號(hào)也是前輸出為OFF,用新的信號(hào)使輸出為ON。其梯形圖如圖3所示。

3 PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施

當(dāng)輸入端或輸出端接有感性元件時(shí)，對(duì)于直流電路，應(yīng)在它們兩端并聯(lián)二極管如圖（4）所示對(duì)于交流電路，應(yīng)在它們兩端并聯(lián)阻容吸收電路如圖（5）所示。

圖1 低壓PLC通信模型

圖2 動(dòng)作優(yōu)先梯形圖

圖3 輸入信號(hào)優(yōu)先梯形圖

圖4 直流輸入輸出點(diǎn)的保護(hù)

圖5 交流輸入輸出點(diǎn)的保護(hù)

圖6 電磁閥及交流接觸器驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)PLC的輸出驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為電磁閥或交流接觸器之類的元件時(shí)，在輸出端與驅(qū)動(dòng)元件之間增加固定繼電器，如圖6。

4 電源部分防干擾措施

電源質(zhì)量的好壞直接影響PLC控制系統(tǒng)的可靠性，PLC的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器。考慮到高頻諧波干擾不是通過變壓器繞組的互感耦合,而是靠初、次級(jí)寄生電容耦合,初、次級(jí)之間應(yīng)采用三層屏蔽層保護(hù),這樣可明顯提高對(duì)共模干擾信號(hào)的抑制。在實(shí)際控制系統(tǒng)中,接地是抑制干擾、使系統(tǒng)可靠工作的主要方法。在設(shè)計(jì)中如能把接地和正確的屏蔽結(jié)合起來就可以解決大部分干擾問題。接地設(shè)計(jì)有兩個(gè)基本目的:消除各電路流經(jīng)公共地線所產(chǎn)生的噪聲電壓和避免磁場(chǎng)與電位差的影響,使其不形成地環(huán)路,如果接地方式不好就會(huì)形成環(huán)路,造成噪聲耦合。理想的接地是一個(gè)系統(tǒng)的所有接地點(diǎn)與大地之間阻抗為零,但這是難以做到的。在實(shí)際接地中總存在著連接阻抗和分散電容,所以如果接地線不佳或接地點(diǎn)不當(dāng),都會(huì)影響接地質(zhì)量。

5 PLC冗余設(shè)計(jì)研究方法

由于冗余設(shè)備長(zhǎng)期處于空閑狀態(tài),使得控制系統(tǒng)的成本大幅度地增加,因此其應(yīng)用必然受到一定程度的限制。以下介紹一種新的冗余設(shè)計(jì)方法:雙重并聯(lián)冗余設(shè)計(jì),內(nèi)部原因包括系統(tǒng)的偶然性故障和長(zhǎng)時(shí)間使用后的性能老化,以及經(jīng)過可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)仍未能發(fā)現(xiàn)的軟件和硬件缺陷等引起的故障。冗余設(shè)計(jì)技術(shù)主要針對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的永久性、瞬間性和間歇性故障進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。冗余技術(shù)即采用備用的硬件或軟件參與系統(tǒng)的運(yùn)行或處于準(zhǔn)備狀態(tài),一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,能自動(dòng)切換,保持系統(tǒng)不間斷地正常工作。軟件冗余:采用程序復(fù)執(zhí)的方式,能有效地預(yù)防和處理瞬時(shí)故障。所謂復(fù)執(zhí),是指在系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)故障時(shí),重復(fù)執(zhí)行故障的那一部分程序,這樣系統(tǒng)不必停機(jī),往往可以自動(dòng)回復(fù)到原來正確的動(dòng)作,這實(shí)際上是一種時(shí)間冗余方式。

[1]袁任光.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,1997.

[2]段蘇振.提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)因素[J].電氣傳動(dòng),2003（05）:45-49.

[3]趙躍華.可編程序控制器及其應(yīng)用[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,1998。