- 艾寶物聯(lián)IOBOV? ─ 工業(yè)無線測控專家
詳述了影響可編程序控制器控制系統(tǒng)可靠性的主要因素，并就可編程序控制器的工作環(huán)境、電源的要求、接地和連接線的方式、冗余設(shè)計(jì)和降級操作設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的輸入電路和輸出電路與可編程序控制器的軟件程序編制等多個方面，提出了一些可行的方法和措施。通過對可編程序控制器的控制系統(tǒng)實(shí)際測試和多次試驗(yàn)，得出了幾個適合生產(chǎn)環(huán)境、能符合控制系統(tǒng)要求的改進(jìn)線路，從而使可編程序控制器控制系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步的提高。
0、引言
可編程序控制器（以下簡稱PLC）是在程序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。從廣義上講，PLC是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的輸入輸出接口，并已成為自動化控制系統(tǒng)的基本裝置。PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中，已基本取代了傳統(tǒng)的繼電器和接觸器的邏輯控制。用PLC來控制系統(tǒng)設(shè)備，其工作的可靠性要比單純繼電器和接觸器控制大大提高。就PLC本身而言，平均無故障時間一般已可達(dá)3~5萬小時；而三菱的F系列，據(jù)稱其平均無故障時間已達(dá)30萬小時。所以，整個PLC控制系統(tǒng)的可靠性，主要取決于PLC的外圍設(shè)備，比如輸入器件中的行程開關(guān)、按鈕、接近開關(guān)，輸出器件中的接觸器、繼電器和電磁閥等。另外，從軟件程序的編制來考慮，如果能編制出一個帶有監(jiān)控的程序，對提高系統(tǒng)的可靠性也有很大好處。下面就如何提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行一些探討。
1、從PLC的外圍設(shè)備來考慮提高PLC的可靠性
PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制設(shè)備。當(dāng)工作環(huán)境較為惡劣，如電磁干擾較強(qiáng)、濕度高、電源、輸入和輸出電路等易受到干擾時，會使控制系統(tǒng)的可靠性受到影響。
1.1 工作環(huán)境的要求
除了為特殊工作環(huán)境而設(shè)計(jì)的PLC外，一般PLC工作的環(huán)境溫度應(yīng)在0~55℃的范圍，并要避免太陽光直接照射；安裝時要遠(yuǎn)離大的熱源，保證足夠大的散熱空間和通風(fēng)條件；空氣的相對濕度應(yīng)小于85%，不結(jié)露，以保證PLC的絕緣良好。PLC應(yīng)避免安裝在有振動的場所；對振動源允許的條件則應(yīng)按照產(chǎn)品說明書的要求，安裝減振橡膠墊或采取其他防振措施?？諝庵杏蟹蹓m和有害氣體時，應(yīng)將PLC封閉安裝。
1.2 電源的要求
不同的PLC產(chǎn)品，對電源的要求也不同，這里包括電源的電壓等級、頻率、交流紋波系數(shù)和輸入輸出的供電方式等。
對電磁干擾較強(qiáng)、而對PLC可靠性要求又較高的場合，PLC的供電應(yīng)與動力供電和控制電路供電分開；必要時，可采用帶屏蔽的隔離變壓器供電、串聯(lián)LC濾波電路等。在設(shè)計(jì)時，外接的直流電源應(yīng)采用穩(wěn)壓電源，供電功率應(yīng)留有20%~30%的余量。對由控制器本身提供的直流電源，應(yīng)了解它所能提供的最大電流，防止過電流造成設(shè)備的損壞。
1.3 接地和接線
1) PLC的良好接地是正常運(yùn)行的前提。在設(shè)計(jì)時，PLC的接地應(yīng)與動力設(shè)備的接地分開，采用專用接地；如不能分開接地時，應(yīng)采用共用接地；絕對禁止采用共通接地方法。如圖1所示，接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近PLC，接地線的線徑應(yīng)大于4mm2，接地電阻一般應(yīng)小于10Ω。
圖1
接地方法
2) PLC的接線包括輸入接線和輸出接線。輸入接線的長度不宜過長，一般不大于30m；在線路距離較長時，可采用中間繼電器進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換。輸入接線的COM端與輸出接線的COM端不能接在一起。輸入接線與輸出接線的電纜應(yīng)分開設(shè)置。必要時，可在現(xiàn)場分別設(shè)置接線箱。集成電路或晶體管設(shè)備的輸入信號和輸出信號的接線必須采用屏蔽電纜；屏蔽層的接地端應(yīng)為一點(diǎn)接地，接地點(diǎn)宜在控制器側(cè)。
1.4 冗余設(shè)計(jì)和降級操作設(shè)計(jì)
1) 對可靠性要求較高的應(yīng)用場合，冗余設(shè)計(jì)和降級操作是必要的。冗余設(shè)計(jì)可采用熱后備或冷后備方式。熱后備方式操作時，冗余的后備系統(tǒng)也同時運(yùn)行，兩者輸出的結(jié)果一致時，表示系統(tǒng)是正常運(yùn)行的；一旦結(jié)果不一致，則發(fā)出警報(bào)信號，同時，根據(jù)自診斷的結(jié)果，切換到正常的系統(tǒng)去。冷后備方式操作時，冷后備系統(tǒng)不運(yùn)行，它在自診斷檢測出運(yùn)行系統(tǒng)故障后才切入后備系統(tǒng)。對PLC來說，冗余系統(tǒng)的范圍主要是CPU、存儲單元、電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，只有在可靠性要求很高時，才會包括輸入輸出單元的冗余等。
2) 降級操作是指在設(shè)計(jì)時，將手動操作包括在內(nèi)的設(shè)計(jì)。例如，緊急停車的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵設(shè)備的開停和再啟動功能的設(shè)計(jì)等。這樣，一旦發(fā)生故障，可采用降級的操作，即對部分或全部設(shè)備進(jìn)行手動的開停操作，以避免設(shè)備的損壞或?qū)θ藛T的傷害。此外，在設(shè)計(jì)中也可考慮從全自動到半自動、直至手動的操作等。
1.5 PLC的I/O電路
1) 由于PLC是通過輸入電路接受開關(guān)量、模擬量等輸入信號，因此輸入電路的元器件質(zhì)量的好壞和連接方式直接影響著控制系統(tǒng)的可靠性。比如：按鈕、行程開關(guān)等輸入開關(guān)量的觸點(diǎn)接觸是否良好、接線是否牢固等。設(shè)備上的機(jī)械限位開關(guān)是比較容易產(chǎn)生故障的元件。在設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡量選用可靠性高的接近開關(guān)代替機(jī)械限位開關(guān)。此外，按鈕的常開和常閉觸點(diǎn)的選擇也會影響到系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)以一個簡單的起動、停止控制線路為例，如圖2和圖3所示的是兩個控制線路和它們的對應(yīng)梯形圖。這兩個控制線路的控制功能完全一樣，按下起動按鈕，輸出動作；按下停止按鈕，輸出斷開；但它們的可靠性不一樣。我們假設(shè)輸出斷開為安全狀態(tài)，那么圖3的可靠性要比圖2的高。這是因?yàn)?/span>SB1、SB2都有發(fā)生故障的可能，而最常見的現(xiàn)象是輸入電路開路。當(dāng)采用圖3電路時，不論SB1、SB2開關(guān)本身開路還是接線開路，輸出都為安全狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的安全和可靠。
圖2
起、停控制線路
圖3
起、?？刂凭€路
2) 在輸入端有感性負(fù)荷時，為了防止反沖感應(yīng)電勢損壞模塊，在負(fù)荷兩端并接電容C和電阻R（交流輸入信號），或并接續(xù)流二極管D（直流輸入信號）。如圖4所示：交流輸入方式時，CR的選擇要適當(dāng)才能起到較好的效果。通過實(shí)驗(yàn)裝置的測試，當(dāng)負(fù)荷容量在10VA以下，一般選0.1μF+120Ω；負(fù)荷容量在10VA以上時，一般選0.47μF+47Ω較適宜。直流輸入方式時，經(jīng)試驗(yàn)得二極管的額定電流應(yīng)選為1A，額定電壓要大于電源電壓的3倍。
(a)
交流輸入方式
(b)
直流輸入方式
圖4
輸入端有感性負(fù)荷時的方式
3) 在輸出端有感性負(fù)載時，通過試驗(yàn)得出：若是交流負(fù)載場合，應(yīng)在負(fù)載的兩端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V電壓而功率為400VA左右時，CR浪涌吸收器為0.47μF+47Ω，如圖5所示。CR愈靠近負(fù)載，其抗干擾效果愈好；若是直流負(fù)載場合，則在負(fù)載的兩端并接續(xù)流二極管D，如圖6所示。二極管也要靠近負(fù)載。二極管的反向耐壓應(yīng)是負(fù)載電壓的4倍。
圖5
輸出端交流感性負(fù)載
圖6
輸出端直流感性負(fù)載
2、從PLC的軟件程序來考慮提高控制系統(tǒng)的可靠性
為了提高PLC控制系統(tǒng)工作的可靠性，可以專門設(shè)置一個定時器，作為監(jiān)控程序部分，對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。若程序運(yùn)行能正常結(jié)束，則該定時器就立即被清零；若程序運(yùn)行發(fā)生故障，如出現(xiàn)死循環(huán)等，該定時器在設(shè)定的時間到就無法清零，此時PLC發(fā)出報(bào)警信號。在設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時，使用這種方法來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各部分運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。如果用PLC來控制某一對象時，編制程序時可定義一個定時器來對這一對象的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視：該定時器的設(shè)定時間即為這一對象工作所需的最大時間；當(dāng)啟動該對象運(yùn)行時，同時也啟動該定時器。若該對象的運(yùn)行程序在規(guī)定的時間結(jié)束工作，發(fā)出一個工作完成信號，使該定時器清零，說明這一對象的運(yùn)行程序正常；否則，屬運(yùn)行不正常，發(fā)出報(bào)警信號或停機(jī)信號。監(jiān)控程序的梯形圖如圖7所示。圖7中定時器T1為檢測元件，X001為控制對象動作信號，X002為動作完成信號，M2為報(bào)警或停機(jī)信號。假設(shè)被控對象的運(yùn)行程序完成一次循環(huán)需要50s，則定時器K值可取510（T1為100ms定時器）。當(dāng)X001=1時，被控對象運(yùn)行開始，T1開始計(jì)時；如在規(guī)定的時間內(nèi)被控對象的運(yùn)行程序能正常結(jié)束，則X002動作，M1復(fù)位，定時器T1被清零，等待下一次循環(huán)的開始；若在規(guī)定時間沒有發(fā)出被控對象運(yùn)行完成的動作信號，則判斷為故障，T1的觸點(diǎn)閉合，接通M2發(fā)出報(bào)警信號或停機(jī)信號。
圖7
檢測程序
3、結(jié)語
PLC控制系統(tǒng)的工作可靠性與多種因素有關(guān)，有些客觀因素也干擾著控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過設(shè)計(jì)正確的硬件線路，選擇質(zhì)量高的元器件，改善工作環(huán)境，編制監(jiān)控程序等措施，可以使PLC控制系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性得到很大的提高。
參考文獻(xiàn)