可編程邏輯控制器的可靠性分析

劉雙玖

[摘 ? ?要]在現代工業科學技術領域，可編程邏輯控制器（PLC）已廣泛應用于工業自動化，并已成為工業自動化的重要支柱。PLC系統不僅為現場儀表、電氣設備及下屬控制系統提供有效的集成、控制和數據存儲，還為上級管控系統提供穩定的數據采集平臺，這對提高企業的生產率和產品的國際競爭力具有重要作用。因此，維護PLC系統并確保其穩定運行非常重要。文章從PLC使用環境改善入手，如硬件配置、軟件編制等，分析了影響PLC控制系統正常運行的溫度、濕度、電源系統、防雷系統、接地系統、PLC的輸入/輸出接線、電纜橋架的鋪設、控制室內布置等各種外部因素，同時給出了相應的解決方案。并根據實際使用情況和經驗，分析了PLC本身的網絡配置、模塊配置、軟件配置、畫面配置等內部因素對PLC穩定運行的影響，提出了相應的合理化配置建議。

[關鍵詞]PLC;可靠性;通訊網絡;組態;控制系統

[中圖分類號]TM921.5;TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]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）是以微型計算機為核心，融合了計算機技術、通信技術、CRT顯示技術和自動控制技術，與傳統的繼電器相比較，控制系統在系統化、多樣化、分散化等方面取得了很大進步。由于控制系統的結構理念取代了傳統儀器的控制方法，因此，控制系統的可靠性得到了極大提高。PLC高性能的CPU處理能力比傳統自動儀表功能強大得多。由于通信技術和CRT顯示技術的出現，為控制系統配置資源共享和集中管理以及人機聯系等帶來了便利。在此基礎上，現代控制理論的應用成為可能，極大地促進了自動化技術的發展。

PLC最早是在發達國家出現，如歐美、日本，其應用范圍也逐漸廣泛，如石油、電力、冶金等領域。

PLC不僅具有控制功能，還能具有網絡信息交換功能，尤其是在我國控制技術快速發展背景下，其網絡技術也得到了大幅提升，如今我國PLC控制技術傳播速度更快，性能更加穩定，能與其他控制系統相互結合，形成運行整體，為管控一體化發展提供數據支撐。

PLC隨著受控對象的運行而運行。在大中型企業中，生產車間在正常情況下要求連續運行，PLC也需要安全及可靠的運行，因此保持PLC控制系統的健康運行非常重要。

1 影響PLC穩定性的外部因素及措施

1.1 溫度

經過多年的探索和運行，發現PLC在20～28 ℃運行較為穩定。為保證PLC作業的穩定性，工作人員需要根據作業區域大小和散熱量安裝相應設施（如空調），對溫度環境嚴格控制，將各房間溫度控制到合理范圍之內，如機柜間、操作員站、配電室等。而在南方陽光直射的區域，工作人員還需要安裝其他防護設施，如雙層門窗，加厚窗簾門簾等，確保室內環境保持恒定溫度，讓室內溫度控制在23～27℃。

1.2 濕度

PLC在運行過程中不僅會受到溫度影響，還會受到空氣濕度影響。

只要在室內安裝空調和濕度計，濕度問題就很容易解決。空調不僅保證了房間的溫度，還保證了干濕度，濕度計將顯示房間的濕度。如果濕度計顯示濕度低于房間的要求，在房間角落和遠離控制設備的地方放置一個加濕裝置;如果濕度計顯示濕度高于房間要求，則在角落和遠離控制設備的地方放置一些干燥劑。其控制標準要求見表1。

2 影響PLC穩定的系統硬件因素及措施

2.1 PLC電源系統

PLC投產后，需要按生產要求連續運行。UPS在正常電源故障時為PLC供電。UPS的額定功率和相應的電池組數量必須根據整個系統PLC的各種元器件的功耗負載總和來確定。UPS最好不要供給其他用電設備，如現場儀表電源、照明電源等。一般情況下，UPS電源應配備單獨的電源柜，電源柜內設隔離變壓器和穩壓器，保證PLC電源的電能質量，這樣也可以在一定程度上確保PLC和現場設備的供電相對獨立。當現場設備發生故障或雷電產生短時峰值電流或過電壓時，不會影響PLC的正常運行。

2.2 PLC防雷系統

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

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

2.3 PLC的輸入/輸出配置

數字量輸入/輸出模塊的電壓等級可根據現場設備與模塊之間的距離來選擇，當外部線路較長時，可選用AC或DC220V/110V模塊，當外部線路較短，且控制設備相對集中時，可選用DC24V/48V模塊。數字量輸入模塊選擇時，應考慮其門檻電平的大小，門檻電平值越大，抗干擾能力越強，傳輸的距離就越遠。對于開閉頻繁、電感性、低功率因數的負載，宜選用晶閘管元件的輸出模塊;對于開閉不頻繁的電阻性負載，宜選用繼電器輸出模塊。

2.4 電纜敷設

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

高電平電纜和低電平電纜最好不要在同一端子排上轉接。必須使用同一端子排時，要進行合理的安排。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，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，因為電纜芯數露在屏蔽層外面的部分越長，感應外界干擾的部位就越大。

2.5 PLC接地系統

PLC系統應有穩定、可靠的接地。PLC系統的保護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，保護性接地和功能性接地的引下線應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可靠接地。PLC系統的模擬信號回路控制電纜屏蔽層，不得構成兩點或多點接地，應集中一點接地。對于雙層屏蔽電纜，內屏蔽應一端接地，外屏蔽應兩端接地。兩點接地的屏蔽電纜宜采取相關措施，防止在暫態電流作用下屏蔽層被燒壞。

對于低頻、低電平模擬信號的電纜，如熱電偶用電纜，屏蔽層應在最不平衡端或電路本身接地處一點接地。

3 合理配置硬件提高PLC的可靠性

3.1 PLC網絡配置

交換機在網絡與網絡之間中起到一個重要的連接作用，PC網絡配置也是非常重要的一個環節，因此，應該將PC與控制站之間，連接光學終端等相應的設備，還要布置控制室內網線，網線的材質一般是同軸電纜，距離較遠的室外采用光纖光纜。合理的網絡配置可以減少網絡線路數量，避免過多的接頭，減少隱患，提高整個系統的穩定性。

而在獨立的生產區域可以使用獨立控制站進行遠程操控，控制站可以將各類網絡匯總，將其傳輸到中控室。這樣，整個工廠各個工藝流程相互獨立運行，互不干擾，通過控制網絡傳輸信號，將極大減少電纜用量，整個工廠整潔干凈，優化控制系統網絡，降低中間環節，并為控制系統的檢修和運行維護帶來方便，同時也提高了控制系統的可靠性。

3.2 PLC模塊配置

在處理器配置輸入輸出模塊時需要根據處理器實際情況合理配置，一般情況，模塊總的控制點建議不要超過CPU控制點的60%。這樣，CPU的運作更加順暢，不出現“死機”現象。出現這樣的情況，模塊就可以起到安裝作用，在處理器相同的控制柜中進行模塊的安裝，除此之外，還需要安裝信號隔離器等，將這些設備集中安裝在一個機柜中或者多個機柜中，如果安裝在多個機柜中，應該將機柜與機柜之間并聯放置。機柜與機柜之間可以將隔離板取消，這樣能夠方便機柜之間進電源的連接，為機柜之間接線工作創造便利條件，除了機柜之間需要并聯放置以外，電源柜與配電柜之間也需要采用這種方式進行安裝，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柜和變頻柜時需要做好位置控制工作，不能將其與PLC放置在同一區域。最好單獨設置MCC室，以避免強電設備干擾PLC的正常運行，從而提高控制系統的可靠性。

在調試完成之后，就需要工作人員進行工作的開展，開展區域主要在操作室，因此操作室內需要具有滿足開展工作的設施，比如打印機等常用設備，這些設備能夠滿足工人的日常工作，并且還要有控制系統方便對其進行控制，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生情況，讓工作人員有一個良好的操作環境，工作室內經常會配備很多設施，會涉及到布線問題，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境舒適，需要配備空調，以及干濕度調節設備等。為了方便工作人員監管各個機柜的運行狀況，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，主要是上位機畫面設置合理，根據車間裝配線合理配置畫面。一般情況下，主畫面是PLC控制的整個車間工藝流程圖，然后通過按鈕切換來獲取每個子畫面。在子屏幕上使用不同顏色的提示燈顯示設備的不同狀態。最好使用動畫來顯示各種設備的運行狀態和整個生產過程。

軟件配置時，應根據控制點的性質（模擬輸入和輸出、數字輸入和輸出）對相同或類似的設備進行分類，或根據生產工藝線進行配置。這樣，一旦系統出現報警或參數被修改，操作人員就可以盡快找到軟件故障。

工程師站主要由專業技術人員操作，一般僅在調試期間使用。調試后，需要使用密碼鎖定計算機，避免無關人員進入系統，對其程序產生破壞，操作站主要是用于監控和設備操作，班組人員需要對設備運行過程中各類數據充分收集，如果在監控過程中發現設備出現故障則需要及時制定修改方案并制成報表，為后續工作人員提供數據支撐，讓后續工作人員能了解到車間的具體生產情況，讓維修人員能對軟件運行情況充分掌握。

編程調試人員應根據系統配置情況，編制調試記錄和操作手冊，并組織車間員工培訓等，保證調試人員離開以后，車間工作人員仍可以根據相應的數據對生產過程中故障進行查閱，將其影響范圍有效控制，降低故障出現的概率。軟件供應商還需要定期升級軟件，始終保持軟件的先進性和可操作性。

5 結束語

PLC具有較為明顯的特性，如調整靈活、保護功能強大等，尤其是在數據處理方面。當然，PLC控制系統運行穩定性是保證各生產活動有序發展的重要基礎。本文從使用環境、硬件配置、網絡、軟件編寫等方面進行深入分析，并提出了相應提升措施，期望對今后電氣設計人員以及生產企業解決PLC可靠性問題有一定的借鑒作用。

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