PLC控制系統的可靠性設計

楊斌

主要研究PLC控制系統可靠性設計策略，分析了PLC控制系統運行可靠性影響因素，在此基礎上對PLC控制系統可靠性設計策略進行了探討。

【關鍵詞】PLC控制系統 可靠性設計

PLC在工業控制中廣泛用于生產過程控制，和繼電器-接觸器傳統控制系統相比工作可靠性更好，系統集成化程度更高。近些年工業自動化、智能化程度進一步提高，對加工精度的要求也更加苛刻，進一步研究PLC控制系統可靠性設計策略十分必要。

1 PLC控制系統運行可靠性影響因素

PLC控制系統一般設置有PLC與現場設備兩個邏輯層次，PLC主要指中央處理器、主機箱、拓展機箱以及其他網絡外部設備，生產現場設備則主要有繼電器、接觸器、開關、極限位置、安全保護、傳感器、儀表、電動機、信號線等。PLC控制系統是一個精密的通信控制系統，系統中任意設備的小故障都會導致系統無法正常工作，分析PLC控制系統運行可靠性以及影響因素，是PLC控制系統可靠性設計的第一步。

PLC自身工作運行可靠性非常高，例如三菱公司F1、F2、FX系列，能夠無故障工作三十萬小時以上，統計資料顯示，PLC控制系統故障中，PLC自身故障僅占到5%，所有PLC自身故障中，95%都是I/O模板故障，剩下的5%方為PLC主機系統故障。PLC控制系統故障以現場設備故障為主，因此PLC控制系統運行可靠性主要受輸入、輸出設備可靠性影響。

2 PLC控制系統可靠性設計

2.1 設計思路

電控系統可靠性主要是指對系統可能發生故障的預防預測以及找尋系統潛在隱患與薄弱環節，在設計階段，通過預防性設計與設計方案改進來消除系統設計方案中存在的薄弱環節，降低系統在運行控制過程中發生故障的幾率，確保系統設計可靠性能夠滿足可靠性需求。可靠性設計一般有制定與執行可靠性設計準則、選擇合適的元器件零部件、降頻設計、冗余設計、耐環境設計、健壯設計、容錯設計、改錯設計等工作內容。PLC是一種可靠性非常高的控制元器件，以PLC為核心的控制系統運行可靠性主要受輸入、輸出端連接、生產現場信號輸入輸出執行原器件運行可靠性影響。因此，設計PLC控制系統方案時，要優先選擇更高質量元器件，并開展較高故障率元器件的狀態監控和故障診斷，盡量使用PLC內部元器件代替外部設備，屏蔽輸入誤信號，關鍵設備進行冗余設計，從而保證系統運行可靠性。

2.2 硬件設計

2.2.1 成熟技術的使用

所謂成熟技術，是指選擇類似PLC這樣的，經受住了工業生產實踐檢驗的技術，設計人員對成熟技術的掌握程度更深，熟練度更高，了解其運行可靠性特點與薄弱環節，能夠采取有效的設計策略應對，技術經驗豐富，掌握能力更強。一般情況下，PLC控制系統的成熟技術應用應該占到75%以上，因為PLC控制系統與工業生產線高度結合，投入運行和生產之后，對PLC控制系統的改造會非常困難，反復進行修改是不現實的，設計方案中存在的硬件電路與軟件程序深層缺陷會在系統中長期存在難以發現，容易造成嚴重的質量與安全事故，使用成熟技術則降低了系統內缺陷的發生率，從而保證了系統運行的可靠性。

2.2.2 選擇高質量元器件

PLC控制系統運行可靠性和信號輸入元器件、輸出執行原器件的運行可靠性密切相關，為了保證PLC控制系統運行可靠性，進行可靠性設計時要優先選擇高質量輸入輸出與執行元器件設備，降低PLC外部設備與元器件運行故障幾率。元器件可靠性有固有可靠性和使用可靠性兩方面，固有可靠性依賴元器件的制造工藝水平與設計方案先進水平，使用可靠性也要通過設計方案的優化來保證。中國航天工業總公司失效分析中分的多年分析統計結果顯示，元器件選擇使用不當引起的失效在總失效中占達50%的比例，美國羅姆航空發展中心的統計資料顯示，集成電路總失效中，電過應力損傷占到56.8%，都表明為了保證PLC控制系統設計可靠性，需要重視輸入輸出元器件和執行設備的選擇，使用經實踐證明運行可靠性很高，供應渠道可靠并且標準化程度高的元器件。

2.2.3 抗干擾設計

工業控制現場電磁環境復雜，電場和磁場干擾比較嚴重，PLC控制系統輸入輸出設備和通信信道均暴露在電場和磁場范圍內，導線之間會產生電容耦合、電感耦合、輻射、通道干擾等多種形式的干擾，并且系統中存在著較多的接地點，不同的接地點之間可能存在著差異，接地點之間會產生地環電流干擾。為了提高PLC控制系統的抗干擾性能，輸入輸出通信信道中要增加屏蔽線與雙絞線，使用雙絞線消除電磁干擾，并在雙絞線上增加電磁屏蔽層，合理接地，則能夠在抑制磁場干擾同時抑制電場耦合干擾。此外還可以應用遠離技術，保持強信號與弱信號線間距離至少100mm，同時還要采取必要的屏蔽措施，將導線放置于空心導體、金屬網內，或者直接屏蔽干擾源，減少平行走線。

2.3 軟件設計

軟件可靠性設計主要涉及到容錯、改錯、差錯、避錯等內容，合理使用避錯設計方法能夠有效保證軟件設計的正確性，減少差錯，增強程序自身容錯能力。軟件要設置有故障檢測程序，采用時間故障檢測法，檢測工步開始同時啟動定時器，檢測軟件工作狀態，動作在定時器設定值內完成，表示被監控對象工作正常，否則則告警。邏輯錯誤檢測法是另一種常見的軟件檢錯方法，PLC控制系統運行工作中，不同的輸入輸出信號與中間記憶裝置之間邏輯關系十分明確，軟件中可以編寫一些常見故障異常邏輯查看程序，如果該邏輯關系出現，則表示系統出現了對應設備故障，從而及時告警、停機。

3 結語

可靠性設計大部分措施都以成本為代價，因此PLC控制系統可靠性設計要兼顧可靠性與實用性和經濟性，在保證滿意的系統運行可靠性同時，控制系統設計與建設投資規模。

參考文獻

[1]熊幸明，張文希.PLC控制系統可靠性設計的研究[J].煤礦機電，2016（03）.

[2]李國厚，趙明富，徐君鵬.PLC控制系統的可靠性設計[J].礦山機械，2015（04）.

[3]劉國棟，鄧娟妮.PLC自動控制系統的可靠性分析[J].科技資訊，2014（24）.

[4]曾湘，段文杰.試析PLC控制系統的可靠性設計問題[J].企業技術開發，2015（22）.

[5]馮馬才.對PLC自動控制系統的可靠性問題與其設計方案的探究[J].科協論壇（下半月），2014（11）.

作者單位

山鋼集團萊蕪分公司型鋼廠 山東省萊蕪市 271104