2022年PLC控制系统的可靠性设计 .pdf

第 26卷第 1期2010年 1月甘肃科技Gansu Science andTechnologyVol . 26N o . 1Jan .2010PLC控制系统的可靠性设计曹卫1, 张巍1 , 2( 1. 兰州兰石炼化公司, 甘肃 兰州730050 ; 2.兰州理工 大学 ,甘肃 兰州 730050)摘要: 分析了影响PLC控制系统可靠性的主要因素,从硬件选型、 安装、 配置 和软件编程方面提出了提高PLC系统可靠性的有效措施, 其中硬件措施由电源的选择、输入输出的保护、 外围器件的 选型、 完善 的接地系 统和 PLC自身的改进等几部分组成; 软件措施包括提高输入输出信号的可靠性、信息的保 护和恢复、互锁 功能的设置、故障 检测程序的设计、数据和程序的保护以及软件容错。关键词 : PLC控制系统 ; 可靠性 ; 硬件设 计;软件设计中图分类号 : TP2731引言可编程序控制器( PLC)已被广泛地应用于工业控制领域 , 由于 PLC中采用了高集成度的微电子器件 ,其可靠程度是使用机械触点的继电器所不能比拟的。但由于PLC 控制系统多工作在工业现场的恶劣环境中 , 有必要来研究提高PLC控制系统可靠性的设计因素。PLC控制系 统通常由PLC和生产现场设备组成。PLC包括中央处理器、 主机架、扩展机架及相关的网络与外部设备;生产现场设备包括触摸屏、工控机、继电器、接触器、接近开关、 极限位置检测开关、 安全保护、传感器、仪表、接线盒、接线端子、电动机、电源线、地线、信号线等。它们当中任何一个出现故障都会影响系统正常工作。因此,分析其对系统可靠性影响的程度是进行可靠性设计、提高控制系统工作可靠性的重要依据。2影响 PLC 控制系统可靠性的因素虽然可编程控制器本身具有很高的可靠性,但如果输入给PLC的开关量信号出现错误, 模拟量信号出现较大偏差, PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作 , 这些都可能使控制过程出错, 造成无法挽回的经济损失。2 . 1 来自空间的辐射干扰空间的辐射电磁场( EM I) 主要由电力网络、 电气设备的暂态过程、 雷电、无线电广播、 电视、雷达、高频感应加热设备等产生, 通常称为辐射干扰,其分布极为复杂。这种干扰影响主要来自两条路径: 一是直接对PLC内部的辐射, 由电路感应产生干扰;二是对PLC通信网络的辐射,由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小 , 特别是频率等因素有关。2. 2来自电源的干扰PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广, 它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流。尤其是电网内部的变化,如开关操作浪涌、 大型电力设备起停、 交直流传动装置引起的谐波、 电网短路暂态冲击等, 都通过输电线路传到电源原边。2. 3信号线引入的干扰与 PLC控制系统连接的各类信号传输线除了传输有效的各类信息外, 总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径: 一是是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰; 二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰。由信号引入干扰会引起I /O信号工作异常 , 大大降低测量精度及输入信号准确性, 严重时将引起元器件损伤, 甚至重大事故。对于隔离性能差的系统 ,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流 , 造 成控制逻辑混乱, 导致误 动和死机。 PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O 模块损坏及引起系统故障的情况很多。另外 , 由于以下原因也会造成信号不能正确输入或输出。在出入方面, 如机械拉扯, 线路自身老化, 使现场信号无法传送给PLC, 造成控制出错; 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 , 而出现错误控制结果; 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,同样会使控制系统不能正常工作。还有在输出方面如控制负载名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 的接触器不能可靠动作 , 虽然PLC 发出了动作指令 ,但执行机构并没按要求动作使系统无法正常工作 ,降低了系统可靠性。所以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 , 这就要求在元器件选型阶段, 应选择有良好信誉的厂家,选择质量上乘的器件。如尽量选用优质无触点开关器件等。同时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 , 让系统安全可靠地工作。2 . 4 来自接地系统混乱的干扰PLC控制系统正确接地是为了抑制电磁干扰的影响 , 并抑制设备向外发出干扰; 而错误的接地反而会引入严重的干扰信 号, 使 PLC系 统无法 正常工作。 PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等 , 会引起各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在地电位差而引起地环路电流, 影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地,如果电缆屏蔽层两端A , B都接地 , 就存在地电位差,有电流流过屏蔽层, 当发生异常情况时地线电流将更大。屏蔽层、 接地线和大地也有可能构成闭合环路 ,在变化磁场的作用下, 屏蔽层内会出现感应电流 ,通过屏蔽层与芯线之间的耦合干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱,所产生的地环流就可能在地线上产生电位分布, 影响 PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低 , 逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱、 程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降, 引起信号测控失真和误动作。3提高PLC 控制系统可靠性的硬件措施干扰的形成需要同时具备3要素, 即干扰源、耦合通道和对干扰敏感的受扰体。因此抗干扰的原则是抑制干扰源、 破坏干扰通道和提高受扰体的抗干扰能力。硬件抗干扰技术是系统设计时的首选措施 ,它能有效抑制干扰源, 阻断干扰传输通道。3 . 1 电源的选择如上所述 , 电网干扰串入PLC系统主要通过供电电源 (如 CPU电源、 I/ O电源等 )、 变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合而来。对于PLC系统供电的电源, 一般都采用隔离性能较好的隔离变压器; 对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、 抑制带 大 (如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器 , 以减少干扰。3. 2输入输出的保护输入通道中的检测信号一般较弱, 传输距离可能较长。检测现场干扰严重和电路构成往往模数混杂等因素使输入通道成为 PLC系 统中最主要的干扰进入通道。在输出通道中, 功率驱动部分和驱动对象也可能产生较严重的电气噪声, 并通过输出通道耦合作用进入系统。因而尽量多采用数字传感器, 并对输入输出通道进行电气隔离等措施。如采用隔离放大器、 隔离变压器、 纵向扼流圈和光电耦合器等。另外 , 对于 模拟量的输入输出还可采用V /F、 F / V 转换器。 V / F( 电压 /频率 ) 转换过程是对输入信号的时间积分, 因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑处理, 使其抗干扰能力更强。3. 3完善接地系统在任何包含有电子线路的设备中, 接地是抑制噪声和防止干扰的重要方法。接地设计的两个原则一是消除各电路电流流经一个公共地线阻抗所产生的噪声电压 ; 避免形成地环路。二是地线系统尽量合理布置。具体在PLC系统中的 地线可划分为数字地线、模拟地线、继电器和电动机等大功率电气设备的噪声地线以及仪器机壳等的屏蔽地线等几种。这些地线应该分开布置, 并在一点上与电源地相连。针对不同的地线可采用单点接地或多点接地。在低频电路中 , 信号频率低于1 MH z时它的布线和元器件间的电感影响较小, 而接地电路形成环流所产生的干扰影响较大,因而单元电路间宜采用一点接地。当信号工作频率大于10MH z时, 地 线阻抗变得很大, 宜采用多 点接地法。当工作频率在1 10 MH z之间时 , 如果用一点接地, 其地线长度不超过波长的1 /20 , 否则宜采用多点接地法。不管那种接地, 接地线都应尽量加粗,以减小接地阻抗。3. 4PLC 自身的改进对 PLC自身来说 , 应选用脉动小, 稳定性好的直流 电源 , 连接 导线用 铜导线 , 以 减小压 降; 对其CPU及输入输出模块或外部器件, 应选用性能好,能满足抗冲击、 振动、温度变化等特殊要求; 对不使用的各端子应妥善处理, 通常接地或接高电平使其处于某种稳定状态。对整机来说, 应在生产现场安装 PLC金属屏蔽盒 , 并妥善接地。置于操作台上的PLC要固定在铜板上, 并用绝缘层与操作台隔离, 铜板应可靠接地。23第 1期曹卫等: PLC控制系统的可靠性设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 4提高PLC 控制系统可靠性的软件措施4 . 1 提高输入输出信号的可靠性( 1)开关型传感器信号的/去抖动 0措施。当按钮作为输入信号时, 则不可避免会产生抖动; 输入信号是继电器时 , 有时会产生瞬间跳动, 将会引起系统误动。( 2)数字滤波。数字滤波是在对模拟信号多次采样的基础上通过软件算法提取最逼近真值数据的过程。数字滤波的算法很多, 常用的有算术平均值法、 比较舍取法、 中值法、一阶递推数字滤波法等。( 3)指令冗余。在尽可能短的周期内将数据重复输出 , 受干扰影响的设备在还没有来得及响应时正确的信息又来到了,从而及时防止误动作的产生。4 . 2 信息的保护和恢复偶发性故障条件出现不破坏PLC内部的信息 ,一旦故障条件消失就可恢复正常,继续原来的工作。所以 , PLC在检测到故障条件时,立即把现状态存入存储器 , 软件配合对存储器进行封闭, 禁止对存储器的任何操作 , 以防存储器信息被冲掉。这样, 一旦检测到外界环境正常后, 便可恢复到故障发生前的状态 ,继续原来的程序工作。4 . 3 设置互锁功能在某些工艺控制中, 有时并没有明显互锁功能要求 , 但为了系统的可靠性,在硬件设计和编程中必须加以考虑 , 并应互相配合。因为单纯在PLC内部逻辑上的互锁 , 往往在外电路发生故障时失去了作用。例如对电动机正、 反转接触器互锁, 仅在梯形图中用软件来实现是不够的。因为大功率电动机有时会出现因接触器主触点/ 烧死 0粘连 , 而在线圈断电后主电路仍不断开的故障。4 . 4 故障检测程序的设计一般来说PLC外部的输人、 输出元件的故障率远远超过PLC本身的故障率,且这些元件出现故障时 , PLC不会自动停机。因此,要提高整个系统的可靠性 , 还需要在软件中增加故障检测程序的设计。4 . 4 . 1时间故障检测法无 /看门狗 0指令的PLC可设计 /超时保护0程序。控制系统在调试完成后, 工作循环中各工步的运行基本都有相对固定的时间范围, 以这些时间为参数 , 在要检测的工步动作开始的同时启动一个定时器。定时器的时间设定值比正常情况下该动作要持续的时间长25%。当某工步动作时间超过规定时间 , 并达到对应的定时器预置时间还未转入下一个工步动作时 ,定时器发出故障信号, 停止正常工作循环程序 , 启动报警及显示程序。4. 4. 2 逻辑错误检测法在 PLC控制系统正常的情况下, 各输人输出信号和中间记忆装置之间存在着逻辑关系, 一旦出现异常逻辑关系 ,必定是控制系统出现了故障。因此,可以事先编好一些常见故障的异常逻辑程序加进用户程序中。当这种逻辑关系实现状态为/ 10时, 就必然出现了相应的设备故障, 即可将异常逻辑关系的状态输出作为故障信号,用来实现报警、 停机等控制。对于某些型号的PLC , 其本身配备有故障处理组织块 , 用户可将故障处理程序写进该组织块中, 一旦有预计故障发生, PLC执行该组织块中程序, 从而将故障引起的损失降低到最小。4. 5软件容错为提高系统运行的可靠性,使 PLC在信号出错情况下能及时发现错误, 并能排除错误的影响继续工作 , 在程序编制中可采用软件容错技术。首先对于非严重影响设备运行的故障信号, 在程序中采取不同时间的判断, 以防止输入接点的抖动而产生 /伪报警 0。若延时后信号仍不消失, 再执行相应动作。其次充分利用信号间的组合逻辑关系构成条件判断 ,即使个别信号出现错误时,系统也不会因错误判断而影响其正常的逻辑功能。5结束语PLC控制系统可靠性不仅取决于PLC 硬件本身的质量好坏 ,而且与周边设备的质量、 硬件的安装方式、软件的编制等有很大关系。如何在硬件配置上提高系统对外界环境的抗干扰能力,以及提高软件对不同的工艺、 设备情况做出准确、 合理判断的能力, 是提高系统可靠性的重要手段。上述所谈到的各种改进方式 ,有些是在系统安装、调试时采用的,有些是在以后的使用过程中根据实际情况做出的改进, 都对提高系统的可靠性起到了作用。参考文献 : 1汪晓光 .可编程控制器原理及应用 M . 北京 : 机械工业出版社 , 1995 . 2皮 状 行. 可 编 程 序 控 制 器 的 系 统 设 计 与 应 用 实 例M . 机械工业出版社, 2001 . 3廖常初 . PLC 编程及应用M . 机械工业出版社 , 2003 . 4廖常初 . S7- 300/400 PLC应用技术 M . 机械 工业出版社 , 2006 .24甘肃科技第 26卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -